Introducción
Los termopares se utilizan ampliamente en mantenimiento industrial, laboratorios, sistemas HVAC, equipos de calefacción, pruebas eléctricas y procesos de producción.
A diferencia de los RTD y los termistores, que detectan la temperatura mediante cambios de resistencia eléctrica, un termopar genera una pequeña tensión cuando existe un gradiente térmico en un circuito formado por dos conductores diferentes.
El instrumento mide esa tensión y la convierte en temperatura teniendo en cuenta el tipo de termopar y la temperatura de referencia.
Por ello, tres conceptos son fundamentales: conductores diferentes, diferencia de temperatura y tensión termoeléctrica.
Puntos clave
● Un termopar suele estar formado por dos materiales conductores diferentes.
● Su principio de funcionamiento se basa en el efecto Seebeck.
● El termopar genera una tensión termoeléctrica, no una lectura directa de temperatura.
● El instrumento debe utilizar la característica correspondiente al tipo de termopar conectado.
● La medición depende de la relación térmica entre la unión de medida y la unión de referencia, por lo que normalmente se necesita compensación de unión fría.
● Entre los tipos más habituales se encuentran K, J, T, E, N, R, S y B.
● La precisión depende del sensor, el cableado, los conectores, la compensación, las condiciones ambientales y el instrumento.
¿Qué es un termopar?
Un termopar es un sensor que utiliza las propiedades termoeléctricas de dos conductores diferentes para medir temperatura.
En su forma más sencilla, dos hilos de metales o aleaciones diferentes se unen en un extremo. Este punto constituye la unión de medida, también denominada unión caliente.
Un termopar tipo K, por ejemplo, utiliza dos aleaciones de níquel diferentes.
Cuando existe un gradiente de temperatura en el circuito, se genera una tensión termoeléctrica muy pequeña, normalmente del orden de microvoltios a milivoltios.
Esta señal debe medirse mediante un termómetro de termopar, un sistema de adquisición de datos, un transmisor de temperatura u otro equipo compatible.
La tensión generada no corresponde simplemente a una temperatura absoluta determinada, sino que depende de las propiedades termoeléctricas de los materiales y de la distribución de temperatura en el circuito.
¿Por qué puede un termopar medir temperatura?
El principio físico fundamental es el efecto Seebeck.
Cuando existe un gradiente térmico a lo largo de un conductor, cambia la distribución energética de sus portadores de carga y aparece un potencial eléctrico dependiente de la temperatura.
Como cada material presenta diferentes propiedades termoeléctricas, la combinación de dos conductores distintos genera una tensión medible.
El proceso puede resumirse así:
● Dos conductores diferentes forman el termopar.
● La unión de medida se coloca en la zona cuya temperatura se desea conocer.
● El otro extremo se conecta al instrumento.
● Existe una diferencia térmica en el circuito.
● Se genera una tensión termoeléctrica.
● El instrumento mide esta tensión.
● A partir del tipo de termopar y de la temperatura de referencia se calcula la temperatura de la unión de medida.
El gradiente de temperatura es, por tanto, fundamental para generar la señal de medición.
¿Mide un termopar temperatura o tensión?
El termopar genera inicialmente una señal de tensión eléctrica.
Esta señal, denominada tensión termoeléctrica o fuerza electromotriz termoeléctrica, depende de los materiales empleados y de las condiciones térmicas de la unión de medida y de referencia.
Cada tipo de termopar tiene su propia relación entre tensión y temperatura.
Por ejemplo, un tipo K y un tipo T no generan exactamente la misma tensión en las mismas condiciones térmicas.
El instrumento debe conocer el tipo conectado y utilizar la curva, los datos de referencia o los algoritmos correspondientes.
Si se conecta un termopar tipo K y el instrumento está configurado como tipo J, pueden producirse errores importantes aunque tanto la sonda como el instrumento funcionen correctamente.
¿Qué es la unión de medida?
La conexión entre los dos conductores en el extremo sensible se denomina unión de medida o unión caliente.
Durante la medición, esta unión debe intercambiar calor eficazmente con el objeto o medio.
En mediciones de superficie, la zona sensible debe mantener un buen contacto térmico con la superficie. En aire o gases, la sonda debe estar suficientemente expuesta al medio.
En la práctica, el termopar mide la temperatura alcanzada por su propia unión sensible.
Si esta todavía no se ha aproximado al equilibrio térmico con el objeto, la lectura puede quedar temporalmente por encima o por debajo de la temperatura real.
Por este motivo, todo termopar presenta un determinado tiempo de respuesta.
¿Por qué necesita una unión de referencia?
La tensión termoeléctrica depende de diferencias de temperatura. Por ello, medir únicamente unos milivoltios no permite determinar directamente la temperatura absoluta de la unión de medida.
Las tablas de referencia de termopares se basan tradicionalmente en una unión de referencia a 0 °C.
En la práctica, las entradas de un instrumento suelen encontrarse a temperatura ambiente.
Por esta razón, los termómetros electrónicos miden la temperatura real de los terminales y corrigen su influencia.
Este proceso se denomina compensación de unión fría.
¿Qué es la compensación de unión fría?
Cuando los conductores del termopar se conectan al instrumento, finalmente pasan a conductores de cobre u otros materiales internos.
Estas transiciones generan uniones adicionales cuya temperatura debe tenerse en cuenta.
Los instrumentos modernos suelen incorporar un sensor de temperatura cerca de los terminales de entrada.
El equipo combina:
● la tensión termoeléctrica medida;
● el tipo de termopar seleccionado;
● la temperatura de los terminales;
● la relación tensión-temperatura correspondiente.
Con estos datos calcula la temperatura de la unión de medida.
Por tanto, el proceso no consiste simplemente en multiplicar la tensión por un coeficiente fijo. Se requiere medición precisa de señales de bajo nivel, compensación de unión fría y conversión no lineal.
¿Qué ocurre desde que la sonda toca el objeto hasta que aparece la lectura?
Tomando como ejemplo un termopar tipo K:
● La unión de medida entra en contacto con el objeto e intercambia calor.
● Su temperatura cambia.
● El gradiente térmico genera una tensión termoeléctrica.
● La señal de milivoltios llega al termómetro.
● El instrumento utiliza la característica correspondiente al tipo K.
● Se mide la temperatura de referencia junto a los terminales.
● Se aplica la compensación de unión fría.
● La tensión se convierte según la relación del tipo K.
● El valor calculado aparece en pantalla.
El termopar convierte la información térmica en una señal eléctrica, mientras que el instrumento realiza la medición, la compensación, la linealización y la visualización.
¿Cuáles son los tipos de termopar más comunes?
● Tipo K: muy utilizado en mantenimiento industrial, HVAC, calefacción y mediciones generales.
● Tipo J: habitual en determinados equipos e instalaciones industriales.
● Tipo T: apropiado para temperaturas bajas y medias.
● Tipo E: ofrece una tensión termoeléctrica relativamente alta y buena sensibilidad.
● Tipo N: adecuado para temperaturas elevadas y utilizado en aplicaciones que requieren buena estabilidad.
● Tipos R, S y B: empleados principalmente en aplicaciones industriales, de laboratorio y hornos a alta temperatura.
Los diferentes tipos no son intercambiables porque utilizan materiales y características tensión-temperatura diferentes.
¿Por qué la relación entre tensión y temperatura no es lineal?
La tensión termoeléctrica no varía de forma perfectamente lineal con la temperatura.
No existe, por tanto, una expresión única válida para todo el rango como:
Temperatura = tensión × coeficiente fijo
En un intervalo limitado puede aproximarse la sensibilidad en µV/°C, pero esta cambia con la temperatura.
Los instrumentos profesionales emplean tablas, curvas o funciones polinómicas para realizar la conversión no lineal.
¿Por qué los termopares son adecuados para amplios rangos de temperatura?
La zona sensible de un termopar tiene una construcción relativamente sencilla y no necesita electrónica compleja en la punta.
Dependiendo del tipo, aislamiento, funda y diseño de la sonda, pueden utilizarse desde bajas temperaturas hasta temperaturas industriales muy elevadas.
Entre los diseños habituales se encuentran:
● sondas de hilo o de perla para aire, gases y mediciones rápidas;
● sondas de superficie para tuberías, placas metálicas y componentes mecánicos;
● sondas de penetración para líquidos y materiales semisólidos;
● sondas de aire o gas para conductos y mediciones ambientales;
● sondas de alta temperatura para hornos, calefacción y procesos industriales.
¿Qué factores afectan a la precisión de la medición?
● Tipo de termopar correcto: la sonda debe coincidir con la configuración del instrumento.
● Tolerancia del termopar: la calidad y la clase del sensor influyen en el error.
● Compensación de unión fría: cualquier error en la temperatura de referencia afecta directamente al resultado.
● Precisión del instrumento: la medición de tensión, el procesamiento y la conversión contribuyen a la incertidumbre.
● Contacto térmico: un contacto deficiente puede causar errores importantes en superficies.
● Tiempo de respuesta: la sonda no puede seguir instantáneamente cambios rápidos.
● Cableado y conectores: materiales inadecuados pueden introducir tensiones termoeléctricas adicionales.
● Cambios de temperatura ambiente: después de trasladar el instrumento entre ambientes muy diferentes puede requerirse tiempo de estabilización.
● Interferencias electromagnéticas: debido al bajo nivel de señal, puede ser necesario utilizar cableado y apantallamiento adecuados.
¿Puede prolongarse un termopar con cable de cobre convencional?
No se recomienda prolongar un termopar de forma arbitraria con cable de cobre convencional.
La introducción de materiales diferentes en puntos con temperaturas distintas puede generar tensiones termoeléctricas adicionales.
Cuando se necesita mayor longitud, deben utilizarse cables de extensión o compensación adecuados al tipo de termopar, junto con conectores compatibles.
¿Qué diferencia hay entre un termopar y un termómetro de termopar?
El termopar es el sensor que transforma la información térmica en una pequeña tensión eléctrica.
El termómetro de termopar es el instrumento que mide esa tensión, aplica compensación de unión fría, realiza la conversión no lineal y muestra la temperatura.
Un sistema portátil completo puede incluir:
● sonda de termopar;
● cableado y conectores adecuados;
● termómetro de termopar;
● sistema de compensación de unión fría;
● electrónica de procesamiento y conversión.
¿Qué diferencia hay entre un termopar, un RTD y un termistor?
● Un termopar utiliza una tensión termoeléctrica.
● Un RTD mide la variación de resistencia de un elemento metálico con la temperatura.
● Un termistor utiliza la fuerte dependencia térmica de la resistencia de un material semiconductor.
Los termopares son especialmente útiles cuando se requieren amplios rangos de temperatura, altas temperaturas, diseños de sonda flexibles o tiempos de respuesta relativamente rápidos.
La elección adecuada depende del rango, la precisión necesaria, la velocidad de respuesta, el entorno, la construcción de la sonda y el coste.
FAQ
¿Necesita alimentación un termopar?
El elemento sensible no necesita una fuente externa para generar la tensión termoeléctrica. El termómetro digital, la pantalla y los circuitos de procesamiento y compensación sí requieren alimentación.
¿Mide un termopar una temperatura absoluta?
La señal está relacionada con diferencias de temperatura dentro del circuito. El instrumento mide además la temperatura de referencia mediante la compensación de unión fría y calcula la temperatura de la unión de medida.
¿Por qué la salida es de solo unos pocos milivoltios?
Los coeficientes Seebeck de los materiales son relativamente pequeños, por lo que la señal se encuentra normalmente entre microvoltios y milivoltios.
¿Puede medirse un termopar tipo K con el instrumento configurado como tipo J?
No. Las características tensión-temperatura son diferentes y una selección incorrecta puede producir errores significativos.
¿Qué ocurre si se invierte la polaridad?
Los termopares son sensibles a la polaridad. Invertir los conductores cambia el signo de la señal y puede provocar lecturas erróneas.
¿Por qué la lectura no se estabiliza inmediatamente?
La sonda tiene masa térmica y necesita intercambiar calor con el objeto. El tamaño, el diseño, el contacto y el medio determinan el tiempo de respuesta.
¿Puede utilizarse un multímetro convencional para medir directamente la temperatura?
Puede medir la tensión en milivoltios, pero sin la conversión correspondiente al tipo de termopar y sin compensación de unión fría no puede proporcionar directamente una temperatura precisa.
Conclusión
Un termopar es un sensor de temperatura basado en el efecto Seebeck. Dos conductores de materiales diferentes generan una pequeña tensión termoeléctrica cuando existe un gradiente térmico en el circuito.
El termopar no entrega directamente una lectura en grados. El instrumento mide la tensión, aplica la compensación de unión fría, utiliza la característica adecuada y calcula la temperatura final.
La cadena de medición puede resumirse así:
Temperatura del objeto → gradiente térmico en el termopar → tensión termoeléctrica → medición de tensión → compensación de unión fría → conversión no lineal → visualización de temperatura.
Para obtener resultados fiables es necesario elegir el tipo de termopar correcto y considerar también el diseño de la sonda, el contacto térmico, el cableado, la compensación, el tiempo de respuesta, las condiciones ambientales y la precisión del instrumento.
