Introducción

Un termopar está formado por dos metales o aleaciones diferentes. Cuando estos materiales forman un circuito termoeléctrico y las zonas de unión se encuentran a distintas temperaturas, se genera una tensión termoeléctrica relacionada con dichas condiciones térmicas.

Dos conceptos fundamentales en la medición con termopares son la unión caliente y la unión fría.

Estas denominaciones pueden resultar confusas. La unión caliente no tiene que estar necesariamente a alta temperatura, y la unión fría tampoco tiene que estar realmente fría. En términos técnicos, resulta más preciso hablar de unión de medición y unión de referencia.

Comprender la relación entre ambas es esencial para entender el principio de funcionamiento del termopar, la compensación de unión fría y la precisión de un termómetro de termopar.

Puntos clave

● La unión caliente es el punto en el que el termopar detecta la temperatura del objeto y también se denomina unión de medición.
● La unión fría corresponde a la zona que proporciona la referencia térmica al sistema y también se denomina unión de referencia.
● Un termopar responde a las condiciones de temperatura de la unión de medición y de la unión de referencia, en lugar de generar una señal determinada únicamente por la temperatura absoluta de la unión de medición.
● La unión fría no tiene que encontrarse a baja temperatura ni mantenerse permanentemente a 0 °C.
● Los termómetros de termopar modernos suelen medir la temperatura de referencia y aplicar electrónicamente una compensación de unión fría.
● Los errores en la medición o compensación de la temperatura de referencia pueden afectar a la lectura final aunque la sonda de termopar funcione correctamente.

¿Qué es la unión caliente de un termopar?

La unión caliente es normalmente el punto en el que se conectan los dos conductores de materiales diferentes que forman el termopar. Se sitúa en el punto de medición y entra en contacto con el objeto o queda expuesta al aire, líquido o equipo cuya temperatura se desea determinar.

Un termopar tipo K, por ejemplo, utiliza dos aleaciones distintas con las características termoeléctricas correspondientes a este tipo. En el extremo de la sonda, ambos conductores se unen mediante soldadura, fusión u otro procedimiento adecuado para formar la unión de medición.

La función principal de esta unión es detectar los cambios de temperatura en el punto de medida. Cuando cambia su temperatura mientras se conocen las condiciones de la unión de referencia, también varía la tensión termoeléctrica generada. El instrumento utiliza esta relación para calcular la temperatura.

Por este motivo, unión de medición es una denominación técnicamente más precisa que unión caliente.

¿Por qué la unión caliente también se denomina unión de medición?

El término unión caliente procede de aplicaciones industriales tradicionales en las que los termopares se utilizan para medir hornos, calderas, motores, tuberías calientes, moldes y otros equipos a alta temperatura.

Sin embargo, un termopar también puede utilizarse para medir bajas temperaturas.

En cámaras frigoríficas, sistemas de refrigeración, tuberías de baja temperatura o aplicaciones de laboratorio, la unión de medición puede encontrarse a una temperatura inferior a la del instrumento y su zona de referencia.

Por tanto, el término unión de medición describe mejor su función. Identifica el punto cuya temperatura se desea medir sin implicar que dicho punto tenga que ser el más caliente del sistema.

¿Qué es la unión fría de un termopar?

La unión fría es la parte del sistema de medición asociada con la temperatura de referencia. Por este motivo, el término técnico más adecuado es unión de referencia.

En un termómetro de termopar real, los conductores del termopar terminan conectándose a conductores de cobre, terminales o circuitos de entrada del instrumento. La zona donde los materiales del termopar se conectan con los conductores del instrumento forma parte del sistema de referencia.

La medición de la tensión termoeléctrica por sí sola no permite determinar la temperatura de la unión de medición. El instrumento también necesita conocer la temperatura de la unión de referencia.

La unión de referencia proporciona, por tanto, la referencia térmica necesaria para calcular correctamente la temperatura medida.

¿Por qué se denomina unión fría?

La denominación procede de los métodos tradicionales de medición con termopares.

Históricamente, para establecer una temperatura de referencia estable y conocida, la unión de referencia se introducía en una mezcla de agua y hielo y se mantenía cerca de 0 °C. Como esta zona solía estar mucho más fría que el punto de medición a alta temperatura, pasó a denominarse unión fría.

Los termómetros digitales modernos normalmente no requieren un baño de hielo.

En su lugar, un sensor de temperatura interno mide la temperatura cerca de los terminales de entrada del termopar, y el instrumento realiza electrónicamente la compensación de unión fría, habitualmente denominada CJC.

Por tanto, en un instrumento moderno la unión fría debe entenderse como unión de referencia, no como un punto que obligatoriamente tenga que estar frío.

¿Qué relación existe entre la unión caliente y la unión fría?

El funcionamiento del termopar se basa en el efecto Seebeck. Cuando un circuito termoeléctrico está formado por conductores distintos y las zonas relevantes se encuentran a diferentes temperaturas, se genera una tensión termoeléctrica.

El proceso puede resumirse de la siguiente forma:

● La unión de medición detecta la temperatura del objetivo.
● La unión de referencia proporciona la referencia térmica necesaria.
● El termopar genera una pequeña tensión eléctrica relacionada con las condiciones de temperatura de ambas uniones.
● El termómetro mide esta tensión y determina la temperatura de la unión de referencia.
● El instrumento aplica la relación temperatura-tensión correspondiente al tipo de termopar y realiza la compensación necesaria.
● El resultado final es la temperatura de la unión de medición.

Por tanto, un termopar no funciona como determinados sensores cuya señal eléctrica depende únicamente de la temperatura absoluta de un único elemento sensor. La condición térmica de la unión de referencia forma parte esencial del proceso de medición.

¿Por qué no se puede ignorar la temperatura de la unión de referencia?

Supongamos que la unión de medición permanece a la misma temperatura, pero cambia de forma significativa la temperatura alrededor de los terminales de entrada del instrumento.

Si no se tuviera en cuenta la temperatura de referencia, cambiaría la relación entre la tensión termoeléctrica y la temperatura de la unión de medición, lo que podría producir un resultado incorrecto.

Por esta razón, los termómetros de termopar necesitan compensación de unión fría.

Los instrumentos modernos suelen utilizar un sensor de temperatura situado cerca de la entrada del termopar. La temperatura medida se incorpora al cálculo correspondiente al tipo de termopar seleccionado.

Un sistema completo debe procesar correctamente dos magnitudes:

● La tensión termoeléctrica generada por el termopar.
● La temperatura real de la zona de referencia.

Solo cuando ambas se determinan y procesan correctamente es posible obtener una lectura fiable de la temperatura de la unión de medición.

¿La unión fría debe mantenerse a 0 °C?

No.

Los 0 °C constituyen una temperatura de referencia habitual en las tablas termoeléctricas y en determinados conceptos de calibración, pero esto no significa que la unión de referencia de un instrumento real deba mantenerse físicamente a esa temperatura.

Los termómetros portátiles, registradores de datos y módulos industriales modernos suelen incorporar compensación electrónica de unión fría. Por tanto, los terminales de entrada pueden estar a 20 °C, 25 °C o a otra temperatura dentro del rango de funcionamiento especificado, siempre que dicha temperatura se mida y compense correctamente.

En condiciones normales de uso, el operador no necesita crear una unión de referencia física a 0 °C.

No obstante, la propia compensación de unión fría también tiene una incertidumbre. Si el instrumento pasa rápidamente de un entorno muy caliente o muy frío a otro con una temperatura muy diferente, la distribución térmica interna puede necesitar tiempo para estabilizarse. Durante ese periodo transitorio, el sensor de referencia puede no representar con precisión la temperatura real de los terminales y puede aparecer un error adicional.

¿La unión caliente debe estar siempre más caliente que la unión fría?

No.

Cuando se mide un horno, un tubo de escape, una tubería de proceso caliente u otro objeto a alta temperatura, la unión de medición suele estar considerablemente más caliente que la unión de referencia. En este tipo de aplicaciones, la terminología tradicional resulta intuitiva.

Sin embargo, en una aplicación de baja temperatura puede ocurrir lo contrario:

● Temperatura de la unión de medición: -30 °C
● Temperatura de la unión de referencia: 20 °C

En este caso, la denominada unión caliente está en realidad 50 °C más fría que la unión fría.

Por ello, para explicar el funcionamiento de un termopar es más preciso utilizar los términos unión de medición y unión de referencia.

¿Dónde se encuentra la unión fría?

En un termómetro portátil de termopar convencional, la zona de referencia suele encontrarse alrededor del conector del termopar y de los terminales de entrada del instrumento.

Por ejemplo, al conectar una sonda tipo K equipada con un conector estándar para termopar, el instrumento normalmente mide la temperatura cerca de la entrada y utiliza este valor para realizar la compensación de unión fría.

Sin embargo, la unión de referencia no debe entenderse simplemente como un único punto físico situado al final del cable del termopar. En un circuito real, los conductores del termopar, conectores, terminales y conductores de cobre forman un sistema de conexión completo.

Por tanto, un instrumento correctamente diseñado debe proporcionar condiciones térmicas adecuadas alrededor de esta zona y medir con precisión una temperatura de referencia representativa.

El diseño de la entrada del termopar y la compensación térmica interna son, por ello, factores importantes para el rendimiento del termómetro.

¿La construcción de la unión de medición afecta al rendimiento?

Sí.

Aunque todas las uniones de medición cumplen la misma función básica, su construcción influye en el tiempo de respuesta, la resistencia mecánica, el aislamiento eléctrico y la idoneidad para determinados entornos.

Una unión expuesta, por ejemplo, tiene una masa térmica relativamente baja y normalmente responde con rapidez, pero ofrece menor protección mecánica y ambiental.

En un termopar con vaina metálica, la unión puede ser puesta a tierra, aislada o expuesta. Estas configuraciones presentan diferencias en tiempo de respuesta, aislamiento eléctrico, susceptibilidad a interferencias y adecuación a distintas aplicaciones.

Por tanto, al seleccionar un termopar no solo debe considerarse el tipo, como K, J o T, sino también la construcción de la unión de medición.

¿La compensación de unión fría afecta a la precisión del termómetro?

Sí. Es una parte importante de la incertidumbre total de medición y debe tenerse en cuenta al diferenciar entre la precisión del instrumento y la precisión de la sonda.

El error final de un sistema real puede incluir varios componentes:

● Tolerancia del material del termopar.
● Error de contacto térmico entre la unión de medición y el objeto.
● Errores provocados por cables de extensión, cables de compensación o conectores inadecuados.
● Error del circuito de medición de la tensión termoeléctrica.
● Error del sensor de temperatura de la unión de referencia.
● Error provocado por gradientes térmicos en la zona de referencia.
● Error de linealización y cálculo del instrumento.
● Errores transitorios debidos a cambios rápidos de la temperatura ambiente.

Por este motivo, el rendimiento de una medición con termopar debe evaluarse considerando toda la cadena de medición, y no únicamente la especificación de la sonda o del instrumento.

¿Cómo reducir los errores relacionados con las uniones de medición y referencia?

● Asegure un buen contacto térmico entre la unión de medición y el objeto. En una medición de superficie, un contacto deficiente, espacios de aire o la influencia del aire ambiente pueden impedir que la unión alcance la temperatura real de la superficie.
● Seleccione una construcción de sonda adecuada para la aplicación. La medición de aire, líquidos, superficies de tuberías, hornos y objetivos con cambios rápidos de temperatura requiere diseños diferentes.
● Utilice conectores, cables de extensión o cables de compensación compatibles con el tipo de termopar. El uso de materiales incorrectos puede introducir tensiones termoeléctricas no deseadas.
● Evite gradientes de temperatura importantes alrededor de los terminales de entrada. Si un lado del conector se calienta intensamente mientras el otro está expuesto a una corriente de aire frío, puede aumentar el error de compensación.
● Después de un cambio importante de temperatura ambiente, deje que el instrumento alcance el equilibrio térmico de acuerdo con las indicaciones del fabricante.
● Compruebe que el tipo de termopar seleccionado en el instrumento coincide con la sonda utilizada. Una sonda tipo K debe medirse con el ajuste correspondiente al tipo K.
● En mediciones de precisión, considere conjuntamente el error de la sonda, el error del instrumento y el error de compensación de unión fría.

FAQ

¿La unión caliente es simplemente la punta de la sonda?

En muchas sondas de termopar convencionales, la unión de medición se encuentra en la punta o muy cerca de ella. Sin embargo, su posición exacta depende de la construcción de la sonda. En un termopar con vaina, por ejemplo, la unión real puede encontrarse dentro de la vaina metálica.

¿La unión fría es el conector del termopar?

No exactamente. En un termómetro portátil, el conector y los terminales de entrada suelen formar parte de la zona de referencia, pero la compensación también depende de las conexiones internas y del sensor de temperatura de referencia.

¿Por qué un termopar necesita dos temperaturas?

Porque la tensión termoeléctrica depende de las condiciones de temperatura de la unión de medición y de la unión de referencia. Para determinar la temperatura medida, es necesario conocer o compensar la temperatura de referencia.

¿La unión fría tiene que estar más fría que la unión caliente?

No. Al medir objetivos de baja temperatura, la unión de medición puede estar más fría que la unión de referencia. Los términos unión caliente y unión fría son denominaciones tradicionales.

¿Los termómetros modernos necesitan un baño de hielo como referencia?

Normalmente no. Los termómetros digitales modernos suelen incorporar compensación electrónica de unión fría y miden automáticamente la temperatura alrededor de los terminales de entrada.

¿Cuánto puede afectar una compensación de unión fría incorrecta?

Depende del tipo de termopar, el rango de temperatura, el diseño del instrumento y el error en la temperatura de referencia. En general, los errores de medición y compensación de la unión de referencia contribuyen directamente a la incertidumbre total y deben considerarse especialmente en mediciones de precisión.

Resumen

La unión caliente y la unión fría de un termopar se describen con mayor precisión como unión de medición y unión de referencia.

La unión de medición detecta la temperatura del objeto, mientras que la unión de referencia proporciona la referencia térmica necesaria para realizar la conversión. Como la tensión termoeléctrica depende de las condiciones de temperatura de ambas zonas del circuito, el instrumento debe conocer tanto la tensión generada por el termopar como la temperatura de la unión de referencia.

Los termómetros de termopar modernos suelen realizar esta función automáticamente mediante compensación electrónica de unión fría. Por ello, la unión de referencia no tiene que mantenerse a 0 °C ni tiene que estar necesariamente más fría que la unión de medición.

Comprender la relación entre la unión de medición, la unión de referencia y la compensación de unión fría permite entender correctamente el principio de medición con termopares y analizar los errores relacionados con la construcción de la sonda, las conexiones, las condiciones ambientales y la compensación del instrumento.