Introducción

Al seleccionar una sonda termopar, no basta con elegir el tipo de termopar, como K, J, T o E. También es necesario definir la configuración de la unión: expuesta, puesta a tierra o aislada —también denominada no puesta a tierra—.

Estas configuraciones no corresponden a distintos principios de medición. Describen cómo se sitúa y conecta la unión formada por los dos conductores del termopar con respecto a la vaina metálica de la sonda.

Esta diferencia constructiva influye directamente en el tiempo de respuesta, el aislamiento eléctrico, la protección mecánica y la adecuación a diferentes entornos de medida. Por este motivo, dos termopares del mismo tipo y dimensiones similares pueden comportarse de manera diferente según el diseño de la unión.

Puntos clave

● Unión expuesta: la unión de medida está directamente expuesta al medio. Normalmente ofrece la respuesta más rápida, pero proporciona menos protección mecánica y ambiental.
● Unión puesta a tierra: la unión del termopar está conectada física y eléctricamente a la vaina metálica. Ofrece una respuesta relativamente rápida y buena protección mecánica, pero sin aislamiento eléctrico entre la unión y la vaina.
● Unión aislada: la unión de medida está eléctricamente separada de la vaina. Esta configuración ayuda a reducir problemas asociados a bucles de tierra y diferencias de potencial, aunque normalmente responde con mayor lentitud.
● Ninguna configuración es universalmente superior. La elección debe basarse en la velocidad de respuesta, las condiciones eléctricas, la protección mecánica, el medio de medida y la instalación.

¿Qué es la unión de medida de un termopar?

Un termopar está formado por dos conductores metálicos diferentes que presentan distintas propiedades termoeléctricas. Ambos conductores se unen en el extremo sensor para formar la unión de medida, también denominada unión caliente.

Cuando existe una diferencia de temperatura entre la unión de medida y la unión de referencia, el termopar genera una pequeña tensión termoeléctrica. El instrumento mide esta señal, normalmente del orden de milivoltios, y calcula la temperatura utilizando las características del tipo de termopar y la compensación de unión fría.

Por tanto, la zona alrededor de la unión de medida es la parte que realmente detecta la temperatura.

En las sondas termopar con vaina metálica, la relación entre la unión y la vaina determina si la construcción es puesta a tierra o aislada. Cuando la unión queda directamente expuesta fuera de la protección, se considera una unión expuesta.

¿Qué es un termopar de unión expuesta?

En un termopar de unión expuesta, los dos conductores se unen en el extremo sensor y la propia unión queda directamente expuesta al aire, al gas o al medio que se desea medir, sin estar completamente cubierta por una vaina metálica.

La principal ventaja de esta configuración es que el calor puede transferirse directamente desde el medio hasta la unión, sin tener que atravesar previamente una vaina o un material aislante.

Por ello, suele ofrecer el tiempo de respuesta térmica más corto de las tres configuraciones habituales.

● Ventaja: respuesta rápida a los cambios de temperatura.
● Ventaja: baja masa térmica, adecuada para temperaturas de aire o gas que cambian rápidamente.
● Limitación: menor protección mecánica.
● Limitación: mayor exposición a corrosión, oxidación, contaminación y daños mecánicos.
● Limitación: la unión metálica expuesta es conductora y no debe entrar directamente en contacto con conductores energizados ni utilizarse donde exista riesgo eléctrico.

Los termopares de unión expuesta se utilizan con frecuencia para medir corrientes de aire, gases, equipos de laboratorio, sistemas HVAC y otros procesos donde se requiere una respuesta rápida.

En ambientes corrosivos, con alta presión, abrasión, impactos mecánicos o líquidos conductores, conviene evaluar el uso de una sonda protegida.

¿Qué es un termopar de unión puesta a tierra?

Un termopar de unión puesta a tierra normalmente incorpora una vaina metálica de protección. Los dos conductores forman la unión en el extremo de la sonda y esta unión está directamente conectada a la vaina.

Es decir:

La unión de medida del termopar está eléctricamente conectada a la vaina metálica.

Como el calor puede transferirse directamente desde la vaina hasta la unión, el recorrido térmico es más corto que en una construcción aislada. Por ello, con dimensiones y construcción similares, la respuesta suele ser más rápida.

Al mismo tiempo, la vaina metálica protege los conductores internos y hace que esta configuración sea adecuada para numerosas aplicaciones industriales.

● Respuesta normalmente más rápida que la de una sonda aislada equivalente.
● Buena protección mecánica gracias a la vaina metálica.
● Adecuada para líquidos, gases, superficies de equipos y procesos industriales generales.
● La unión de medida no está eléctricamente aislada de la vaina.
● Si el equipo, la tubería, la vaina y el instrumento se encuentran a diferentes potenciales eléctricos, pueden aparecer bucles de tierra o interferencias.

Por ejemplo, un termopar puesto a tierra instalado en una tubería metálica conectada a tierra puede formar un camino eléctrico adicional si el instrumento de temperatura también está conectado a tierra por otra vía.

Esta configuración es adecuada cuando se busca una respuesta relativamente rápida y una buena protección mecánica, siempre que las condiciones eléctricas de la instalación estén correctamente definidas.

¿Qué es un termopar de unión aislada?

Un termopar de unión aislada también utiliza normalmente una vaina metálica, pero la unión de medida no está en contacto eléctrico directo con ella.

La unión suele estar separada de la vaina mediante un material eléctricamente aislante y térmicamente conductor, como el óxido de magnesio.

Por tanto:

El circuito de medida del termopar permanece eléctricamente aislado de la vaina metálica.

Esta construcción ayuda a reducir problemas causados por el potencial de la vaina, las conexiones a tierra del equipo u otras conexiones eléctricas del sistema de medida. Por ello, se utiliza con frecuencia en automatización industrial, equipos eléctricos y sistemas complejos de adquisición de temperatura.

● Aislamiento eléctrico entre la unión y la vaina.
● Menor riesgo de problemas provocados por bucles de tierra.
● Adecuada para equipos donde pueden existir diferentes potenciales de tierra.
● Buena protección mecánica gracias a la vaina.
● Debido a que el calor debe atravesar la vaina y el material aislante antes de alcanzar la unión, la respuesta normalmente es más lenta que en una construcción puesta a tierra equivalente.

Una unión aislada no elimina por completo las interferencias electromagnéticas. El tendido de cables, el apantallamiento, el diseño de la entrada del instrumento, la puesta a tierra y la proximidad de equipos eléctricos también influyen en la estabilidad de la medida.

Principales diferencias entre las tres configuraciones

En condiciones comparables, pueden resumirse de la siguiente manera:

Estas características representan tendencias generales de diseño y no deben interpretarse como tiempos de respuesta fijos para todos los productos.

La respuesta real también depende del diámetro de la sonda, el material de la vaina, el tamaño de la unión, la profundidad de inserción, la velocidad del medio y el método de instalación.

¿Por qué una unión expuesta responde más rápido?

El tiempo de respuesta de un termopar depende en gran medida de la rapidez con la que el calor puede transferirse desde el objeto o medio hasta la unión de medida.

En una unión expuesta, el punto sensor está directamente en contacto con el medio, por lo que prácticamente no existen capas adicionales entre ambos.

En un termopar puesto a tierra, el calor debe atravesar la vaina metálica, pero la unión está directamente conectada a ella y el recorrido térmico continúa siendo relativamente corto.

En un termopar aislado, el calor suele atravesar:

● El medio medido;
● La vaina metálica;
● El material aislante interno;
● La unión de medida.

Este recorrido térmico adicional hace que el conjunto necesite normalmente más tiempo para alcanzar un nuevo equilibrio térmico.

¿Por qué una unión aislada ofrece mejor aislamiento eléctrico?

Los termopares generan señales del orden de milivoltios, por lo que el sistema puede ser sensible a la puesta a tierra y a las perturbaciones eléctricas.

En una construcción puesta a tierra, la unión está eléctricamente conectada a la vaina. Si esta se instala en una máquina, tubería, horno u otro equipo metálico conectado a tierra, el circuito del termopar puede quedar eléctricamente conectado al equipo a través de la propia vaina.

Si el instrumento dispone además de otra conexión a tierra, pueden aparecer diferencias de potencial o bucles de tierra que afecten a la estabilidad de la medida.

Una construcción aislada incorpora una separación eléctrica entre la unión y la vaina, evitando así que la unión quede directamente conectada al equipo a través de la sonda.

¿Dónde se utilizan los termopares de unión expuesta?

Son especialmente adecuados cuando la velocidad de respuesta tiene prioridad sobre la protección mecánica y el entorno no va a dañar significativamente la unión.

Aplicaciones habituales:

● Medición de aire de impulsión y conductos HVAC;
● Medición de temperatura de aire y gases en laboratorio;
● Ensayos de temperatura del aire en hornos;
● Puesta en marcha de sistemas de ventilación y aire caliente;
● Seguimiento de corrientes de aire con cambios rápidos de temperatura;
● Investigación, desarrollo y ensayos de equipos.

Cuando existen corrosión, abrasión, presión, impactos o riesgos eléctricos, normalmente conviene considerar una sonda con vaina.

¿Dónde se utilizan los termopares de unión puesta a tierra?

La unión puesta a tierra ofrece un buen equilibrio cuando se necesitan simultáneamente una respuesta relativamente rápida y protección mecánica.

Aplicaciones habituales:

● Medición de temperatura en maquinaria industrial;
● Tuberías y depósitos;
● Procesos con líquidos y gases;
● Equipos HVAC e intercambiadores de calor;
● Sistemas de calentamiento y procesos industriales generales;
● Mantenimiento y diagnóstico térmico de maquinaria.

Debe comprobarse cuidadosamente la relación eléctrica entre el equipo medido y el instrumento de temperatura para evitar problemas derivados de una puesta a tierra inadecuada.

¿Dónde se utilizan los termopares de unión aislada?

La unión aislada suele elegirse cuando el aislamiento eléctrico es más importante que obtener el tiempo de respuesta mínimo posible.

Aplicaciones habituales:

● Motores, generadores y otros equipos eléctricos;
● Maquinaria industrial con sistemas de tierra complejos;
● Sistemas de automatización y adquisición de datos;
● Sistemas multicanal de medición de temperatura;
● Equipos donde pueden existir diferentes potenciales eléctricos;
● Aplicaciones industriales que requieren mayor aislamiento eléctrico y estabilidad de medida.

En estas situaciones, una respuesta ligeramente más lenta puede ser un compromiso aceptable a cambio de un mejor aislamiento.

¿Cómo elegir la configuración adecuada?

No existe una configuración óptima para todas las aplicaciones. La elección debe considerar varias cuestiones prácticas.

● ¿Es necesaria una respuesta muy rápida? Para temperaturas de aire o gas que cambian rápidamente puede utilizarse una unión expuesta. Si también se necesita protección mecánica, una unión puesta a tierra puede ser más adecuada.
● ¿Existen condiciones de puesta a tierra complejas? En grandes máquinas metálicas, motores o equipos con múltiples caminos de tierra conviene considerar una unión aislada.
● ¿Puede el medio dañar la unión? En presencia de corrosión, abrasión, presión, impactos o contaminación, una unión expuesta normalmente es menos adecuada.
● ¿Se necesita una vaina metálica? Las instalaciones industriales permanentes suelen utilizar sondas con unión puesta a tierra o aislada.
● ¿Qué es prioritario: respuesta o aislamiento eléctrico? La unión puesta a tierra suele favorecer una respuesta más rápida; la aislada prioriza el aislamiento.

La selección final también debe considerar el tipo de termopar, el rango de temperatura, el material y diámetro de la vaina, la longitud de la sonda, el medio y el método de instalación.

¿La configuración de la unión afecta a la precisión?

Las configuraciones expuesta, puesta a tierra y aislada no son clases de precisión.

Por ejemplo, un termopar tipo K fabricado con una determinada especificación de precisión puede emplear cualquiera de estas configuraciones.

Sin embargo, la construcción de la unión influye en la transferencia térmica, las conexiones eléctricas y las condiciones de instalación, por lo que puede afectar indirectamente al resultado práctico.

Una sonda de respuesta lenta puede presentar un retraso temporal cuando la temperatura cambia rápidamente. Asimismo, un bucle de tierra en una instalación con unión puesta a tierra puede provocar lecturas inestables o errores adicionales.

Por ello, elegir la configuración adecuada forma parte de una correcta solución de medida.

¿Cómo identificar un termopar puesto a tierra o aislado?

En una sonda con vaina metálica, el método más fiable consiste en consultar la ficha técnica del fabricante.

Si está permitido realizar pruebas eléctricas y la sonda está desconectada de cualquier equipo energizado, también puede utilizarse una prueba de resistencia o continuidad.

● Si existe continuidad eléctrica entre el circuito del termopar y la vaina metálica, normalmente se trata de una unión puesta a tierra.
● Si los conductores permanecen eléctricamente aislados de la vaina, normalmente se trata de una unión aislada.

Una unión expuesta suele identificarse visualmente porque la zona de unión queda visible en el extremo de la sonda.

Cuando no sea posible confirmar internamente la construcción de una sonda industrial, debe utilizarse la especificación técnica del fabricante.

FAQ

¿Una unión expuesta siempre responde más rápido que una unión puesta a tierra?
Normalmente sí, porque está en contacto directo con el medio. Sin embargo, el tiempo real depende también del diámetro del conductor, las dimensiones de la sonda, la velocidad del fluido y el método de instalación. Deben consultarse los datos específicos del producto.

¿“Puesta a tierra” significa que el termopar está conectado a la tierra de protección de la instalación?
No necesariamente. El término indica principalmente que la unión de medida está eléctricamente conectada a la vaina metálica. La propia vaina no tiene por qué estar conectada a la tierra de protección.

¿Un termopar aislado es completamente inmune a las interferencias electromagnéticas?
No. La construcción aislada separa principalmente la unión de la vaina. La longitud y el tendido del cable, el apantallamiento, el diseño de la entrada del instrumento y los equipos eléctricos cercanos todavía pueden influir en la señal.

¿Qué configuración debe utilizarse para medir líquidos?
Depende del líquido y de las condiciones de instalación. En procesos industriales son habituales las sondas con vaina y unión puesta a tierra o aislada. Para líquidos corrosivos o conductores también deben considerarse el material de la vaina y el aislamiento eléctrico.

¿Los termopares K, J, T y E pueden fabricarse con las tres configuraciones?
Sí. El tipo de termopar determina sus características termoeléctricas, mientras que la configuración de la unión influye principalmente en el tiempo de respuesta, el aislamiento eléctrico y la protección mecánica.

Conclusión

La diferencia fundamental entre las uniones expuesta, puesta a tierra y aislada se encuentra en la relación física y eléctrica entre la unión de medida, el medio medido y la vaina metálica de protección.

● La unión expuesta está directamente en contacto con el medio y normalmente ofrece la respuesta más rápida, aunque con menor protección mecánica.
● La unión puesta a tierra está conectada directamente a la vaina y ofrece un buen equilibrio entre rapidez y protección, pero requiere prestar atención a la puesta a tierra y a los posibles bucles de tierra.
● La unión aislada está eléctricamente separada de la vaina y es especialmente adecuada cuando se priorizan el aislamiento eléctrico y la estabilidad de medida, aunque normalmente presenta una respuesta algo más lenta.

Por tanto, al seleccionar una sonda termopar deben tenerse en cuenta no solo el tipo de termopar y el rango de temperatura, sino también la velocidad de respuesta, el entorno eléctrico, la protección mecánica, el medio de medida y las condiciones de instalación. Una correcta correspondencia entre materiales, construcción de la sonda y aplicación es esencial para obtener mediciones de temperatura estables y fiables.