Un termopar , también conocido como "termómetro termoeléctrico", es un dispositivo eléctrico que consta de dos conductores eléctricos diferentes que forman una unión eléctrica . Un termopar produce un voltaje dependiente de la temperatura como resultado del efecto Seebeck , y este voltaje puede interpretarse para medir la temperatura . Los termopares se utilizan ampliamente como sensores de temperatura . [1]
Los termopares comerciales son económicos, [2] intercambiables, se suministran con conectores estándar y pueden medir una amplia gama de temperaturas. A diferencia de la mayoría de los demás métodos de medición de temperatura, los termopares se alimentan por sí solos y no requieren ninguna forma externa de excitación. La principal limitación de los termopares es la precisión; puede resultar difícil lograr errores del sistema inferiores a un grado Celsius (°C). [3]
Los termopares se utilizan ampliamente en la ciencia y la industria. Las aplicaciones incluyen la medición de temperatura en hornos , escapes de turbinas de gas , motores diésel y otros procesos industriales. Los termopares también se utilizan en hogares, oficinas y empresas como sensores de temperatura en termostatos y también como sensores de llama en dispositivos de seguridad para aparatos a gas.
En 1821, el físico alemán Thomas Johann Seebeck descubrió que una aguja magnética colocada cerca de un circuito formado por dos metales diferentes se desviaba cuando se calentaba una de las uniones de los metales diferentes. En ese momento, Seebeck se refirió a esta consecuencia como termomagnetismo. Más tarde se demostró que el campo magnético que observó se debía a la corriente termoeléctrica. En la práctica, lo que resulta interesante es el voltaje generado en una única unión de dos tipos diferentes de cables, ya que se puede utilizar para medir la temperatura a temperaturas muy altas y bajas. La magnitud del voltaje depende de los tipos de cables que se utilicen. Generalmente, el voltaje está en el rango de los microvoltios y se debe tener cuidado para obtener una medición utilizable. Aunque fluye muy poca corriente, se puede generar energía mediante una única unión de termopar. La generación de energía mediante múltiples termopares, como en una termopila , es común.
La configuración estándar de un termopar se muestra en la figura. Los conductores diferentes entran en contacto en la unión de medición (caliente) y en la unión de referencia (fría). El termopar está conectado al sistema eléctrico en su unión de referencia. La figura muestra la unión de medición a la izquierda, la unión de referencia en el medio y representa el resto del sistema eléctrico como un voltímetro a la derecha.
La temperatura T sense se obtiene a través de una función característica E ( T ) para el tipo de termopar que requiere entradas: voltaje medido V y temperatura de la unión de referencia T ref . La solución a la ecuación E ( T sense ) = V + E ( T ref ) produce T sense . A veces, estos detalles están ocultos dentro de un dispositivo que incluye el bloque de unión de referencia (con termómetro T ref ), voltímetro y solucionador de ecuaciones.
El efecto Seebeck se refiere al desarrollo de una fuerza electromotriz a través de dos puntos de un material conductor de electricidad cuando existe una diferencia de temperatura entre esos dos puntos. En condiciones de circuito abierto donde no hay flujo de corriente interna, el gradiente de voltaje ( ) es directamente proporcional al gradiente de temperatura ( ):
donde es una propiedad del material dependiente de la temperatura conocida como coeficiente de Seebeck .
La configuración de medición estándar que se muestra en la figura muestra cuatro regiones de temperatura y, por lo tanto, cuatro contribuciones de voltaje:
La primera y la cuarta contribución se cancelan exactamente, porque estas regiones implican el mismo cambio de temperatura y un material idéntico. Como resultado, no influye en el voltaje medido. La segunda y la tercera contribución no se cancelan, ya que involucran materiales diferentes.
El voltaje medido resulta ser
donde y son los coeficientes Seebeck de los conductores conectados a los terminales positivo y negativo del voltímetro, respectivamente (cromel y alumel en la figura).
El comportamiento del termopar se captura mediante una función característica , que solo necesita ser consultada en dos argumentos:
En términos de los coeficientes Seebeck, la función característica está definida por
La constante de integración en esta integral indefinida no tiene importancia, pero se elige convencionalmente de modo que .
Los fabricantes de termopares y las organizaciones de estándares de metrología como NIST proporcionan tablas de la función que se ha medido e interpolado en un rango de temperaturas, para tipos de termopares particulares (consulte la sección de Enlaces externos para acceder a estas tablas).
Para obtener la medida deseada de , no basta con medir . También es necesario conocer la temperatura en las uniones de referencia . En este caso, se suelen utilizar dos estrategias:
En ambos casos se calcula el valor y luego se busca en la función un valor coincidente. El argumento donde se produce esta coincidencia es el valor de :
Lo ideal sería que los termopares fueran dispositivos de medición muy simples, y que cada tipo se caracterizara por una curva precisa, independientemente de otros detalles. En realidad, los termopares se ven afectados por cuestiones como las incertidumbres en la fabricación de aleaciones, los efectos del envejecimiento y los errores o malentendidos en el diseño de circuitos.
Un error común en la construcción de termopares está relacionado con la compensación de la unión fría. Si se comete un error en la estimación de , aparecerá un error en la medición de temperatura. Para las mediciones más simples, los cables del termopar se conectan al cobre lejos del punto caliente o frío cuya temperatura se mide; se supone que esta unión de referencia está a temperatura ambiente, pero esa temperatura puede variar. [4] Debido a la no linealidad en la curva de voltaje del termopar, los errores en y son generalmente valores desiguales. Algunos termopares, como el Tipo B, tienen una curva de voltaje relativamente plana cerca de la temperatura ambiente, lo que significa que una gran incertidumbre en una temperatura ambiente se traduce en solo un pequeño error en .
Las uniones deben realizarse de manera confiable, pero existen muchos métodos posibles para lograrlo. Para temperaturas bajas, las uniones pueden soldarse con soldadura fuerte o con soldadura blanda; sin embargo, puede resultar difícil encontrar un fundente adecuado y este puede no ser adecuado para la unión de detección debido al bajo punto de fusión de la soldadura. Por lo tanto, las uniones de referencia y extensión generalmente se realizan con bloques de terminales de tornillo . Para temperaturas altas, el método más común es la soldadura por puntos o el engarce utilizando un material duradero. [5]
Un mito común sobre los termopares es que las uniones deben realizarse de manera limpia sin involucrar un tercer metal, para evitar campos electromagnéticos no deseados. [6] Esto puede ser el resultado de otro malentendido común: que el voltaje se genera en la unión. [7] De hecho, en principio las uniones deberían tener una temperatura interna uniforme; por lo tanto, no se genera voltaje en la unión. El voltaje se genera en el gradiente térmico, a lo largo del cable.
Un termopar produce señales pequeñas, a menudo de magnitud de microvoltios. Para realizar mediciones precisas de esta señal, es necesario utilizar un amplificador con un voltaje de entrada de compensación bajo y tener cuidado de evitar que los campos electromagnéticos térmicos se calienten por sí solos dentro del propio voltímetro. Si el cable del termopar tiene una resistencia alta por alguna razón (contacto deficiente en las uniones o cables muy delgados utilizados para una respuesta térmica rápida), el instrumento de medición debe tener una impedancia de entrada alta para evitar una compensación en el voltaje medido. Una característica útil en la instrumentación de termopar es medir simultáneamente la resistencia y detectar conexiones defectuosas en el cableado o en las uniones del termopar.
Aunque un tipo de cable de termopar a menudo se describe por su composición química, el objetivo real es producir un par de cables que sigan una curva estandarizada.
Las impurezas afectan a cada lote de metal de forma diferente, lo que produce coeficientes Seebeck variables. Para que coincida con el comportamiento estándar, los fabricantes de alambres para termopares mezclan deliberadamente impurezas adicionales para "dopar" la aleación, compensando las variaciones no controladas en el material de origen. [5] Como resultado, existen grados estándar y especializados de alambres para termopares, según el nivel de precisión exigido en el comportamiento del termopar. Los grados de precisión pueden estar disponibles solo en pares emparejados, donde un alambre se modifica para compensar las deficiencias del otro alambre.
Un caso especial de cable de termopar se conoce como "de grado de extensión", diseñado para transportar el circuito termoeléctrico a una distancia mayor. Los cables de extensión siguen la curva indicada, pero por diversas razones no están diseñados para usarse en entornos extremos y, por lo tanto, no se pueden usar en la unión de detección en algunas aplicaciones. Por ejemplo, un cable de extensión puede tener una forma diferente, como altamente flexible con construcción trenzada y aislamiento de plástico, o ser parte de un cable de múltiples hilos para transportar muchos circuitos de termopar. En el caso de los costosos termopares de metal noble, los cables de extensión pueden incluso estar hechos de un material completamente diferente y más económico que imita el tipo estándar en un rango de temperatura reducido. [5]
Los termopares se utilizan a menudo a altas temperaturas y en atmósferas reactivas de hornos. En este caso, la vida útil práctica está limitada por el envejecimiento del termopar. Los coeficientes termoeléctricos de los cables de un termopar que se utiliza para medir temperaturas muy altas pueden cambiar con el tiempo y, en consecuencia, el voltaje de medición disminuye. La relación simple entre la diferencia de temperatura de las uniones y el voltaje de medición solo es correcta si cada cable es homogéneo (uniforme en composición). A medida que los termopares envejecen en un proceso, sus conductores pueden perder homogeneidad debido a cambios químicos y metalúrgicos causados por la exposición extrema o prolongada a altas temperaturas. Si la sección envejecida del circuito del termopar se expone a un gradiente de temperatura, el voltaje medido será diferente, lo que dará lugar a un error.
Los termopares envejecidos solo se modifican parcialmente; por ejemplo, no se ven afectados en las partes que están fuera del horno. Por este motivo, no se pueden sacar de su ubicación de instalación y recalibrar en un baño o en un horno de prueba para determinar el error. Esto también explica por qué a veces se puede observar un error cuando se saca parcialmente un termopar envejecido de un horno: a medida que se retira el sensor, las secciones envejecidas pueden verse expuestas a gradientes de temperatura mayores de caliente a frío a medida que la sección envejecida pasa por el área refractaria más fría, lo que contribuye a un error significativo en la medición. Del mismo modo, un termopar envejecido que se empuja más profundamente en el horno a veces puede proporcionar una lectura más precisa si al empujarlo más adentro del horno hace que el gradiente de temperatura se produzca solo en una sección nueva. [8]
Ciertas combinaciones de aleaciones se han vuelto populares como estándares de la industria. La selección de la combinación está determinada por el costo, la disponibilidad, la conveniencia, el punto de fusión, las propiedades químicas, la estabilidad y el rendimiento. Diferentes tipos son los más adecuados para diferentes aplicaciones. Por lo general, se seleccionan en función del rango de temperatura y la sensibilidad necesaria. Los termopares con sensibilidades bajas (tipos B, R y S) tienen resoluciones correspondientemente más bajas. Otros criterios de selección incluyen la inercia química del material del termopar y si es magnético o no. Los tipos de termopares estándar se enumeran a continuación con el electrodo positivo (suponiendo ) primero, seguido del electrodo negativo.
El tipo E ( cromel - constantano ) tiene una salida alta (68 μV/°C), lo que lo hace muy adecuado para uso criogénico . Además, no es magnético. El rango amplio es de -270 °C a +740 °C y el rango estrecho es de -110 °C a +140 °C.
El tipo J ( hierro – constantán ) tiene un rango más restringido (−40 °C a +1200 °C) que el tipo K pero una sensibilidad más alta de aproximadamente 50 μV/°C. [2] El punto de Curie del hierro (770 °C) [9] provoca un cambio suave en la característica, que determina el límite superior de temperatura. Tenga en cuenta que el tipo L europeo/alemán es una variante del tipo J, con una especificación diferente para la salida EMF (referencia DIN 43712:1985-01 [10] ).
El cable positivo está hecho de hierro duro, mientras que el cable negativo está hecho de cobre más blando : níquel . [11] Debido a su contenido de hierro, el tipo J es ligeramente más pesado y el cable positivo es magnético. [12] Es muy vulnerable a la corrosión en atmósferas reductoras, lo que puede provocar una degradación significativa del rendimiento del termopar. [13]
El tipo K ( cromel – alumel ) es el termopar de uso general más común con una sensibilidad de aproximadamente 41 μV/°C. [14] Es económico y hay una amplia variedad de sondas disponibles en su rango de −200 °C a +1350 °C (−330 °F a +2460 °F). El tipo K se especificó en una época en la que la metalurgia estaba menos avanzada que en la actualidad y, en consecuencia, las características pueden variar considerablemente entre muestras. Uno de los metales constituyentes, el níquel , es magnético; una característica de los termopares fabricados con material magnético es que sufren una desviación en la salida cuando el material alcanza su punto de Curie , lo que ocurre para los termopares tipo K alrededor de los 185 °C. [ cita requerida ]
Funcionan muy bien en atmósferas oxidantes. Sin embargo, si una atmósfera principalmente reductora (como hidrógeno con una pequeña cantidad de oxígeno) entra en contacto con los cables, el cromo en la aleación de cromel se oxida. Esto reduce la salida de fem y el termopar lee bajo. Este fenómeno se conoce como podredumbre verde , debido al color de la aleación afectada. Aunque no siempre es claramente verde, el cable de cromel desarrollará una piel plateada moteada y se volverá magnético. Una forma fácil de verificar este problema es ver si los dos cables son magnéticos (normalmente, el cromel no es magnético).
El hidrógeno presente en la atmósfera es la causa habitual de la podredumbre verde. A altas temperaturas, puede difundirse a través de metales sólidos o de un termopar de metal intacto. Ni siquiera una funda de óxido de magnesio que aísle el termopar impedirá la entrada del hidrógeno. [15]
La podredumbre verde no se produce en atmósferas lo suficientemente ricas en oxígeno o sin oxígeno. Se puede llenar un termopozo sellado con gas inerte o se puede añadir un eliminador de oxígeno (por ejemplo, un alambre de titanio de sacrificio). Alternativamente, se puede introducir oxígeno adicional en el termopozo. Otra opción es utilizar un tipo de termopar diferente para las atmósferas con poco oxígeno donde puede producirse la podredumbre verde; un termopar tipo N es una alternativa adecuada. [16] [ ¿ Fuente poco fiable? ]
El tipo M (82 % Ni/18 % Mo – 99,2 % Ni/0,8 % Co , en peso) se utiliza en hornos de vacío por las mismas razones que el tipo C (descrito a continuación). La temperatura máxima está limitada a 1400 °C. Se utiliza con menos frecuencia que otros tipos.
Los termopares tipo N ( Nicrosil – Nisil ) son adecuados para su uso entre −270 °C y +1300 °C, debido a su estabilidad y resistencia a la oxidación. La sensibilidad es de aproximadamente 39 μV/°C a 900 °C, ligeramente inferior en comparación con el tipo K.
Diseñados en la Organización de Ciencia y Tecnología de Defensa (DSTO) de Australia, por Noel A. Burley, los termopares tipo N superan los tres tipos y causas principales característicos de inestabilidad termoeléctrica en los materiales de termoelementos de metal base estándar: [17]
Las aleaciones de termopares Nicrosil y Nisil muestran una estabilidad termoeléctrica mucho mayor en relación con las demás aleaciones de termopares de metales básicos estándar porque sus composiciones reducen sustancialmente las inestabilidades termoeléctricas descritas anteriormente. Esto se logra principalmente aumentando las concentraciones de solutos de los componentes (cromo y silicio) en una base de níquel por encima de las requeridas para provocar una transición de los modos de oxidación internos a los externos, y seleccionando solutos (silicio y magnesio) que se oxidan preferentemente para formar una barrera de difusión y, por lo tanto, películas inhibidoras de la oxidación. [18]
Los termopares tipo N son una alternativa adecuada a los de tipo K para condiciones de bajo nivel de oxígeno, donde el tipo K es propenso a la pudrición verde. Son adecuados para su uso en vacío, atmósferas inertes, atmósferas oxidantes o atmósferas reductoras secas. No toleran la presencia de azufre. [19]
Los termopares tipo T ( cobre - constantán ) son adecuados para mediciones en el rango de -200 a 350 °C. A menudo se utilizan como una medición diferencial, ya que solo el cable de cobre toca las sondas. Como ambos conductores no son magnéticos, no hay punto de Curie y, por lo tanto, no hay cambio abrupto en las características. Los termopares tipo T tienen una sensibilidad de aproximadamente 43 μV/°C. Tenga en cuenta que el cobre tiene una conductividad térmica mucho mayor que las aleaciones generalmente utilizadas en las construcciones de termopares, por lo que es necesario tener especial cuidado con el anclaje térmico de los termopares tipo T. Una composición similar se encuentra en el Tipo U obsoleto en la especificación alemana DIN 43712:1985-01. [10]
Los termopares de tipo B, R y S utilizan platino o una aleación de platino/ rodio para cada conductor. Se encuentran entre los termopares más estables, pero tienen una sensibilidad menor que otros tipos, aproximadamente 10 μV/°C. Los termopares de tipo B, R y S se utilizan generalmente solo para mediciones de alta temperatura debido a su alto costo y baja sensibilidad. Para los termopares de tipo R y S, se puede utilizar alambre de platino HTX en lugar de la pata de platino puro para reforzar el termopar y evitar fallas por crecimiento de grano que pueden ocurrir en condiciones severas y de alta temperatura.
Los termopares de tipo B (70 % Pt/30 % Rh–94 % Pt/6 % Rh, en peso) son adecuados para su uso a temperaturas de hasta 1800 °C. Los termopares de tipo B producen la misma salida a 0 °C y 42 °C, lo que limita su uso por debajo de aproximadamente 50 °C. La función fem tiene un mínimo alrededor de 21 °C (para 21,020262 °C fem=-2,584972 μV), lo que significa que la compensación de unión fría se realiza fácilmente, ya que el voltaje de compensación es esencialmente una constante para una referencia a temperaturas ambiente típicas. [20]
Los termopares tipo R (87 % Pt/13 % Rh–Pt, en peso) se utilizan entre 0 y 1600 °C. Los termopares tipo R son bastante estables y tienen una vida útil prolongada cuando se utilizan en condiciones limpias y favorables. Cuando se utilizan a temperaturas superiores a 1100 °C (2000 °F), estos termopares deben protegerse de la exposición a vapores metálicos y no metálicos. El tipo R no es adecuado para la inserción directa en tubos protectores metálicos. La exposición prolongada a altas temperaturas provoca el crecimiento de granos que puede provocar fallos mecánicos y una deriva de calibración negativa causada por la difusión del rodio a la pata de platino puro, así como por la volatilización del rodio. Este tipo tiene los mismos usos que el tipo S, pero no es intercambiable con él.
Los termopares de tipo S (90 % Pt/10 % Rh–Pt, en peso), similares a los de tipo R, se utilizan hasta 1600 °C. Antes de la introducción de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), los termopares de precisión de tipo S se utilizaban como termómetros estándar prácticos para el rango de 630 °C a 1064 °C, basándose en una interpolación entre los puntos de congelación del antimonio , la plata y el oro . A partir de la ITS-90, los termómetros de resistencia de platino han asumido este rango como termómetros estándar. [21]
Estos termopares son muy adecuados para medir temperaturas extremadamente altas. Los usos típicos son el hidrógeno y las atmósferas inertes, así como los hornos de vacío . No se utilizan en entornos oxidantes a altas temperaturas debido a la fragilización . [22] Un rango típico es de 0 a 2315 °C, que puede ampliarse a 2760 °C en atmósfera inerte y a 3000 °C para mediciones breves. [23]
El tungsteno puro a altas temperaturas sufre recristalización y se vuelve quebradizo. Por lo tanto, en algunas aplicaciones se prefieren los tipos C y D en lugar del tipo G.
En presencia de vapor de agua a alta temperatura, el tungsteno reacciona para formar óxido de tungsteno (VI) , que se volatiliza, e hidrógeno. A continuación, el hidrógeno reacciona con el óxido de tungsteno, tras lo cual se forma nuevamente agua. Este "ciclo del agua" puede provocar la erosión del termopar y, en última instancia, su fallo. Por lo tanto, en aplicaciones de vacío a alta temperatura es conveniente evitar la presencia de trazas de agua. [24]
Una alternativa al tungsteno/ renio es el tungsteno/ molibdeno , pero la respuesta voltaje-temperatura es más débil y tiene un mínimo alrededor de 1000 K.
La temperatura del termopar también está limitada por otros materiales utilizados. Por ejemplo, el óxido de berilio , un material popular para aplicaciones de alta temperatura, tiende a ganar conductividad con la temperatura; una configuración particular del sensor hizo que la resistencia de aislamiento cayera de un megaohmio a 1000 K a 200 ohmios a 2200 K. A altas temperaturas, los materiales experimentan una reacción química. A 2700 K, el óxido de berilio reacciona ligeramente con el tungsteno, la aleación de tungsteno-renio y el tántalo; a 2600 K, el molibdeno reacciona con BeO, el tungsteno no reacciona. El BeO comienza a fundirse aproximadamente a 2820 K, el óxido de magnesio a aproximadamente 3020 K. [25]
(95%W/5%Re–74%W/26%Re, en peso) [22] La temperatura máxima que se medirá con el termopar tipo C es 2329 °C.
(97%W/3%Re–75%W/25%Re, en peso) [22]
(W–74%W/26%Re, en peso) [22]
En estos termopares ( aleación de cromo y oro / hierro ), el cable negativo es de oro con una pequeña fracción (0,03-0,15 por ciento de átomos) de hierro. El cable de oro impuro proporciona al termopar una alta sensibilidad a bajas temperaturas (en comparación con otros termopares a esa temperatura), mientras que el cable de cromo mantiene la sensibilidad cerca de la temperatura ambiente. Se puede utilizar para aplicaciones criogénicas (1,2-300 K e incluso hasta 600 K). Tanto la sensibilidad como el rango de temperatura dependen de la concentración de hierro. La sensibilidad suele rondar los 15 μV/K a bajas temperaturas, y la temperatura mínima utilizable varía entre 1,2 y 4,2 K.
Los termopares tipo P (55 % Pd /31 % Pt/14 % Au–65 % Au/35 % Pd, en peso) generan un voltaje termoeléctrico que imita al tipo K en el rango de 500 °C a 1400 °C, pero están construidos exclusivamente con metales nobles y, por lo tanto, muestran una resistencia mejorada a la corrosión. Esta combinación también se conoce como Platinel II. [26]
Los termopares de aleación de platino/molibdeno (95 % Pt/5 % Mo–99,9 % Pt/0,1 % Mo, en peso) a veces se utilizan en reactores nucleares, ya que muestran una baja deriva de la transmutación nuclear inducida por la irradiación de neutrones, en comparación con los tipos de aleación de platino/rodio. [27]
El uso de dos cables de aleaciones de iridio / rodio puede proporcionar un termopar que puede utilizarse hasta aproximadamente 2000 °C en atmósferas inertes. [27]
Los termopares fabricados a partir de dos metales nobles diferentes y de alta pureza pueden mostrar una alta precisión incluso cuando no están calibrados, así como bajos niveles de deriva. Dos combinaciones en uso son oro-platino y platino-paladio. [28] Sus principales limitaciones son los bajos puntos de fusión de los metales involucrados (1064 °C para el oro y 1555 °C para el paladio). Estos termopares tienden a ser más precisos que los de tipo S, y debido a su economía y simplicidad incluso se consideran alternativas competitivas a los termómetros de resistencia de platino que normalmente se utilizan como termómetros estándar. [29]
El termopar HTIR-TC supone un gran avance en la medición de procesos a alta temperatura. Sus características son: duradero y fiable a altas temperaturas, hasta al menos 1700 °C; resistente a la irradiación; de precio moderado; disponible en una variedad de configuraciones (adaptables a cada aplicación); de fácil instalación. Originalmente desarrollado para su uso en reactores de prueba nucleares, el termopar HTIR-TC puede mejorar la seguridad de las operaciones en reactores futuros. Este termopar fue desarrollado por investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho (INL). [30] [31]
La siguiente tabla describe las propiedades de varios tipos diferentes de termopar. En las columnas de tolerancia, T representa la temperatura de la unión caliente, en grados Celsius. Por ejemplo, un termopar con una tolerancia de ±0,0025× T tendría una tolerancia de ±2,5 °C a 1000 °C. Cada celda de las columnas de código de color representa el extremo de un cable de termopar, mostrando el color de la cubierta y el color de los conductores individuales. El color de fondo representa el color del cuerpo del conector.
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Los cables que forman el termopar deben estar aislados entre sí en todas partes, excepto en la unión de detección. Cualquier contacto eléctrico adicional entre los cables, o el contacto de un cable con otros objetos conductores, puede modificar el voltaje y dar una lectura falsa de la temperatura.
Los plásticos son aislantes adecuados para las partes de baja temperatura de un termopar, mientras que el aislamiento cerámico puede utilizarse hasta aproximadamente 1000 °C. Otras cuestiones (resistencia a la abrasión y a los productos químicos) también afectan a la idoneidad de los materiales.
Cuando el aislamiento de un cable se desintegra, puede producirse un contacto eléctrico no deseado en una ubicación diferente del punto de detección deseado. Si se utiliza un termopar dañado en el control de bucle cerrado de un termostato u otro controlador de temperatura , puede producirse un sobrecalentamiento descontrolado y, posiblemente, daños graves, ya que la lectura de temperatura falsa suele ser inferior a la temperatura de la unión de detección. Un aislamiento defectuoso también suele desgasificarse , lo que puede provocar la contaminación del proceso. Para las piezas de termopares que se utilizan a temperaturas muy altas o en aplicaciones sensibles a la contaminación, el único aislamiento adecuado puede ser el vacío o el gas inerte ; la rigidez mecánica de los cables del termopar se utiliza para mantenerlos separados.
Las clasificaciones de temperatura para los aislamientos pueden variar según la construcción general del cable del termopar.
Nota: T300 es un nuevo material de alta temperatura que fue aprobado recientemente por UL para temperaturas de funcionamiento de 300 °C.
Los termopares son adecuados para medir en un amplio rango de temperaturas, desde −270 hasta 3000 °C (por un corto tiempo, en una atmósfera inerte). [23] Las aplicaciones incluyen la medición de temperatura para hornos , escape de turbinas de gas , motores diésel , otros procesos industriales y máquinas de niebla . Son menos adecuados para aplicaciones donde se necesitan medir diferencias de temperatura más pequeñas con alta precisión, por ejemplo, el rango de 0 a 100 °C con una precisión de 0,1 °C. Para tales aplicaciones, los termistores , los sensores de temperatura de banda prohibida de silicio y los termómetros de resistencia son más adecuados.
Los termopares de tipo B, S, R y K se utilizan ampliamente en las industrias del acero y el hierro para controlar las temperaturas y la química durante todo el proceso de fabricación del acero. Los termopares sumergibles desechables de tipo S se utilizan habitualmente en el proceso de horno de arco eléctrico para medir con precisión la temperatura del acero antes de la colada. La curva de enfriamiento de una pequeña muestra de acero se puede analizar y utilizar para estimar el contenido de carbono del acero fundido.
Muchos aparatos de calefacción alimentados a gas , como hornos y calentadores de agua, utilizan una llama piloto para encender el quemador de gas principal cuando es necesario. Si la llama piloto se apaga, puede liberarse gas sin quemar, lo que supone un riesgo de explosión y un peligro para la salud. Para evitarlo, algunos aparatos utilizan un termopar en un circuito a prueba de fallos para detectar cuándo está encendida la llama piloto. La punta del termopar se coloca en la llama piloto, lo que genera un voltaje que hace funcionar la válvula de suministro que alimenta de gas al piloto. Mientras la llama piloto permanezca encendida, el termopar permanece caliente y la válvula de gas piloto se mantiene abierta. Si la llama piloto se apaga, la temperatura del termopar desciende, lo que hace que el voltaje a través del termopar caiga y la válvula se cierre.
En los casos en que la sonda se puede colocar fácilmente sobre la llama, a menudo se puede utilizar un sensor rectificador . Con una construcción parcialmente cerámica, también se los puede conocer como varillas de llama, sensores de llama o electrodos de detección de llama.
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Algunas válvulas combinadas de quemador principal y gas piloto (principalmente de Honeywell ) reducen la demanda de energía dentro del rango de un solo termopar universal calentado por un piloto (circuito abierto de 25 mV que se reduce a la mitad con la bobina conectada a una fuente de 10-12 mV, 0,2-0,25 A, típicamente) al dimensionar la bobina para poder mantener la válvula abierta contra un resorte ligero, pero solo después de que el usuario proporcione la fuerza de encendido inicial presionando y sosteniendo una perilla para comprimir el resorte durante el encendido del piloto. Estos sistemas se identifican por el "presionar y mantener presionado durante x minutos" en las instrucciones de encendido del piloto. (El requisito de corriente de mantenimiento de una válvula de este tipo es mucho menor que el que requeriría un solenoide más grande diseñado para tirar de la válvula desde una posición cerrada). Se fabrican equipos de prueba especiales para confirmar las corrientes de liberación y mantenimiento de la válvula, porque no se puede usar un miliamperímetro común ya que introduce más resistencia que la bobina de la válvula de gas. Además de probar el voltaje de circuito abierto del termopar y la continuidad de CC de cortocircuito cercano a través de la bobina de la válvula de gas del termopar, la prueba más sencilla para quienes no son especialistas es la sustitución de una válvula de gas que se sepa que funciona bien.
Algunos sistemas, conocidos como sistemas de control de milivoltios, extienden el concepto de termopar para abrir y cerrar también la válvula de gas principal. El voltaje creado por el termopar piloto no solo activa la válvula de gas piloto, sino que también se envía a través de un termostato para alimentar también la válvula de gas principal. En este caso, se necesita un voltaje mayor que en un sistema de seguridad de llama piloto descrito anteriormente, y se utiliza una termopila en lugar de un solo termopar. Un sistema de este tipo no requiere una fuente externa de electricidad para su funcionamiento y, por lo tanto, puede funcionar durante un corte de energía, siempre que todos los demás componentes del sistema relacionados lo permitan. Esto excluye los hornos de aire forzado comunes porque se requiere energía eléctrica externa para operar el motor del ventilador, pero esta característica es especialmente útil para los calentadores de convección sin alimentación . A veces se emplea un mecanismo de seguridad de cierre de gas similar que utiliza un termopar para garantizar que el quemador principal se encienda dentro de un período de tiempo determinado, cerrando la válvula de suministro de gas del quemador principal si eso no sucede.
Por la preocupación que genera la energía desperdiciada por la llama piloto permanente, los diseñadores de muchos electrodomésticos más nuevos han optado por un encendido sin piloto controlado electrónicamente, también llamado encendido intermitente. Sin llama piloto permanente, no hay riesgo de acumulación de gas si la llama se apaga, por lo que estos electrodomésticos no necesitan interruptores de seguridad de piloto basados en termopares. Como estos diseños pierden el beneficio de funcionar sin una fuente continua de electricidad, los pilotos permanentes todavía se utilizan en algunos electrodomésticos. La excepción son los calentadores de agua instantáneos de modelos posteriores (también conocidos como "sin tanque") que utilizan el flujo de agua para generar la corriente necesaria para encender el quemador de gas; estos diseños también utilizan un termopar como dispositivo de corte de seguridad en caso de que el gas no se encienda o si la llama se extinga.
Las termopilas se utilizan para medir la intensidad de la radiación incidente, normalmente luz visible o infrarroja, que calienta las uniones calientes, mientras que las uniones frías se encuentran en un disipador de calor. Es posible medir intensidades radiativas de solo unos pocos μW/cm 2 con sensores de termopila disponibles comercialmente. Por ejemplo, algunos medidores de potencia láser se basan en dichos sensores; estos se conocen específicamente como sensores láser de termopila .
El principio de funcionamiento de un sensor de termopila es distinto al de un bolómetro , ya que este último se basa en un cambio en la resistencia.
Los termopares se pueden utilizar generalmente en las pruebas de prototipos de aparatos eléctricos y mecánicos. Por ejemplo, en un cuadro de distribución que se está probando para determinar su capacidad de conducción de corriente, se pueden instalar termopares y monitorearlos durante una prueba de funcionamiento en caliente, para confirmar que el aumento de temperatura a la corriente nominal no exceda los límites diseñados.
Un termopar puede producir corriente para impulsar algunos procesos directamente, sin necesidad de circuitos ni fuentes de energía adicionales. Por ejemplo, la energía de un termopar puede activar una válvula cuando surge una diferencia de temperatura. La energía eléctrica generada por un termopar se convierte a partir del calor que debe suministrarse al lado caliente para mantener el potencial eléctrico. Es necesaria una transferencia continua de calor porque la corriente que fluye a través del termopar tiende a hacer que el lado caliente se enfríe y el lado frío se caliente (el efecto Peltier ).
Los termopares se pueden conectar en serie para formar una termopila , donde todas las uniones calientes están expuestas a una temperatura más alta y todas las uniones frías a una temperatura más baja. La salida es la suma de los voltajes a través de las uniones individuales, lo que da una salida de voltaje y potencia mayor. En un generador termoeléctrico de radioisótopos , la desintegración radiactiva de elementos transuránicos como fuente de calor se ha utilizado para alimentar naves espaciales en misiones demasiado alejadas del Sol como para utilizar energía solar.
Se utilizaron termopilas calentadas por lámparas de queroseno para hacer funcionar receptores de radio sin batería en áreas aisladas. [34] Existen linternas producidas comercialmente que utilizan el calor de una vela para hacer funcionar varios diodos emisores de luz y ventiladores alimentados termoeléctricamente para mejorar la circulación del aire y la distribución del calor en estufas de leña .
Las refinerías de petróleo y de producción química suelen emplear computadoras para registrar y realizar pruebas de límites de las muchas temperaturas asociadas con un proceso, que suelen ser cientos. Para estos casos, se llevarán varios cables de termopar a un bloque de referencia común (un bloque grande de cobre) que contiene el segundo termopar de cada circuito. La temperatura del bloque se mide a su vez mediante un termistor . Se utilizan cálculos simples para determinar la temperatura en cada ubicación medida.
Un termopar se puede utilizar como un medidor de vacío en el rango de aproximadamente 0,001 a 1 torr de presión absoluta. En este rango de presión, el camino libre medio del gas es comparable a las dimensiones de la cámara de vacío , y el régimen de flujo no es ni puramente viscoso ni puramente molecular . [35] En esta configuración, la unión del termopar está unida al centro de un cable calefactor corto, que generalmente se energiza con una corriente constante de aproximadamente 5 mA, y el calor se elimina a una velocidad relacionada con la conductividad térmica del gas.
La temperatura detectada en la unión del termopar depende de la conductividad térmica del gas circundante, que depende de la presión del gas. La diferencia de potencial medida por un termopar es proporcional al cuadrado de la presión en el rango de vacío bajo a medio . A presiones más altas (flujo viscoso) y más bajas (flujo molecular), la conductividad térmica del aire o de cualquier otro gas es esencialmente independiente de la presión. El termopar fue utilizado por primera vez como vacuómetro por Voege en 1906. [36] El modelo matemático del termopar como vacuómetro es bastante complicado, como explica en detalle Van Atta, [37] pero se puede simplificar a:
donde P es la presión del gas, B es una constante que depende de la temperatura del termopar, la composición del gas y la geometría de la cámara de vacío, V0 es el voltaje del termopar a presión cero ( absoluta) y V es el voltaje indicado por el termopar.
La alternativa es el manómetro Pirani , que funciona de manera similar, en aproximadamente el mismo rango de presión, pero es solo un dispositivo de 2 terminales, que detecta el cambio de resistencia con la temperatura de un cable delgado calentado eléctricamente, en lugar de usar un termopar.
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Tablas de datos de termopar: