Introducción

La medición de temperatura mediante termopares no se basa en medir resistencia ni radiación infrarroja. Su principio consiste en medir una pequeña tensión eléctrica generada por dos conductores distintos cuando existe una diferencia de temperatura entre diferentes puntos del circuito.

Cuando la unión de medición y la unión de referencia se encuentran a temperaturas diferentes, el termopar genera una tensión que normalmente se sitúa en el rango de los microvoltios o milivoltios. El termómetro mide este voltaje y lo convierte en temperatura utilizando la relación estandarizada voltaje–temperatura correspondiente al tipo de termopar seleccionado.

En términos básicos:

● El termopar proporciona una señal eléctrica de voltaje;
● El voltaje depende principalmente de las temperaturas de la unión de medición y la unión de referencia;
● Cada tipo de termopar posee una curva voltaje–temperatura diferente;
● La relación entre voltaje y temperatura normalmente no puede representarse mediante un único factor lineal constante.

Puntos clave

● Los termopares utilizan el efecto Seebeck para convertir una diferencia de temperatura en tensión termoeléctrica;
● Su salida suele encontrarse entre microvoltios y milivoltios;
● La medición depende fundamentalmente de la diferencia de temperatura entre la unión de medición y la unión de referencia;
● Las distintas combinaciones de materiales tienen diferentes propiedades Seebeck, por lo que los termopares K, J, T, E y otros no comparten la misma relación voltaje–temperatura;
● Esta relación suele ser no lineal y requiere tablas de referencia estandarizadas o modelos matemáticos para efectuar la conversión;
● Los termómetros de termopar incorporan compensación de unión fría para calcular la temperatura real de la unión de medición.

¿Por qué un termopar genera voltaje?

Un termopar está formado normalmente por dos metales o aleaciones diferentes. Cuando ambos conductores están unidos y existe un gradiente de temperatura en el sistema, aparece una tensión termoeléctrica. Este fenómeno se conoce como efecto Seebeck.

Los portadores de carga de diferentes materiales conductores responden de forma distinta a un gradiente térmico. Debido a que sus propiedades termoeléctricas no son iguales, la combinación de ambos materiales produce una tensión que puede medirse.

Desde un punto de vista práctico:

● Cambia la temperatura;
● Cambia la respuesta termoeléctrica de los materiales;
● El instrumento detecta el voltaje generado por el par de materiales;
● El voltaje se convierte posteriormente en un valor de temperatura.

Por tanto, un termopar puede considerarse un sensor que transforma información térmica en una señal eléctrica.

¿Cómo se relaciona el voltaje del termopar con la diferencia de temperatura?

La tensión termoeléctrica generada por un termopar depende principalmente de la temperatura de la unión de medición y de la temperatura de la unión de referencia.

En una aproximación simplificada:

E ≈ S × ΔT

donde:

● E representa la tensión termoeléctrica;
● S representa el coeficiente Seebeck;
● ΔT representa la diferencia de temperatura entre la unión de medición y la unión de referencia.

Cuando aumenta la diferencia de temperatura, normalmente también aumenta la tensión termoeléctrica.

Sin embargo, esta expresión es solo una aproximación. En un termopar real, el coeficiente Seebeck no permanece constante en todo el rango de temperatura. Por ello, no debe suponerse que cada incremento de 1°C genera siempre exactamente la misma variación de voltaje.

Una representación más precisa es:

E = ∫ S(T)dT

La dependencia del coeficiente Seebeck respecto de la temperatura explica por qué la característica voltaje–temperatura de un termopar es una curva y no una línea recta perfecta.

¿Es lineal la relación entre voltaje y temperatura de un termopar?

No completamente.

Dentro de un intervalo de temperatura reducido, la salida de algunos termopares puede aproximarse mediante una relación lineal. Por este motivo, en cálculos de ingeniería simplificados su sensibilidad suele expresarse en microvoltios por grado Celsius.

Sin embargo, en rangos de temperatura más amplios, el coeficiente Seebeck cambia con la temperatura y la no linealidad se vuelve más significativa.

Por ejemplo, un termopar tipo K presenta normalmente una sensibilidad del orden de varias decenas de microvoltios por grado Celsius en muchos intervalos de uso habitual, pero este valor no permanece constante en todo su rango de funcionamiento.

Por tanto:

● En un intervalo reducido puede utilizarse un coeficiente Seebeck medio como aproximación;
● Para mediciones precisas o rangos amplios deben emplearse tablas de referencia o algoritmos de conversión adecuados.

Por esta razón, los termómetros digitales para termopares suelen incorporar funciones internas de linealización.

¿Por qué los distintos tipos de termopares tienen diferentes relaciones voltaje–temperatura?

La tensión termoeléctrica depende de los dos materiales utilizados para fabricar el termopar.

Por ejemplo:

● El tipo K utiliza normalmente una combinación de aleaciones a base de níquel, entre ellas una aleación de níquel-cromo;
● El tipo J utiliza normalmente hierro y una aleación de cobre-níquel;
● El tipo T utiliza normalmente cobre y una aleación de cobre-níquel;
● El tipo E utiliza normalmente una aleación de níquel-cromo y otra de cobre-níquel.

Como estos materiales poseen propiedades termoeléctricas distintas, no generan el mismo voltaje bajo las mismas condiciones térmicas.

Con una misma diferencia de temperatura:

● Un termopar tipo K produce un determinado voltaje;
● Un tipo J produce otro valor;
● Los tipos T y E presentan igualmente sus propias características.

Por ello, el termómetro debe conocer el tipo de termopar conectado para utilizar la relación de conversión correcta.

Si el instrumento está configurado para tipo K pero se conecta un termopar tipo J, la medición eléctrica del voltaje puede ser correcta, mientras que la temperatura calculada puede presentar un error considerable.

¿Qué es una tabla de referencia de termopares?

Como la relación entre tensión termoeléctrica y temperatura no es perfectamente lineal, no suele ser posible utilizar un único factor constante de voltios por grado en todo el rango de medición.

Para cada tipo de termopar existen datos de referencia estandarizados que definen la relación entre tensión termoeléctrica y temperatura. Estos datos se presentan habitualmente en tablas.

Una tabla de referencia indica, por ejemplo:

● Qué valor en milivoltios corresponde a una determinada temperatura;
● Qué temperatura corresponde a un determinado valor en milivoltios.

Cuando un termómetro mide una señal concreta, su electrónica puede utilizar el tipo de termopar seleccionado junto con los datos de referencia o ecuaciones polinómicas para calcular la temperatura correspondiente.

Los termómetros digitales modernos realizan esta conversión internamente, de modo que el usuario visualiza directamente la temperatura y no el valor bruto en milivoltios.

¿Por qué no se puede determinar la temperatura real únicamente a partir del voltaje del termopar?

La tensión de un termopar no depende únicamente de la temperatura absoluta de la unión de medición. La temperatura de la unión de referencia también interviene en la medida.

Supongamos que la unión de medición está a 100°C.

Si la unión de referencia está a 0°C, la tensión corresponde a la relación entre 100°C y 0°C.

Si la unión de referencia está a 25°C, la tensión generada corresponde a una condición térmica diferente.

Por lo tanto, conocer únicamente el valor en milivoltios no permite determinar con precisión la temperatura real de la unión de medición si se desconoce la temperatura de referencia.

Por esta razón se necesita la compensación de unión fría, también conocida como CJC.

¿Cómo interviene la compensación de unión fría en la conversión de voltaje a temperatura?

Las tablas de referencia de termopares se basan normalmente en una unión de referencia a 0°C.

En una aplicación real, sin embargo, los terminales del termómetro suelen encontrarse a temperatura ambiente, por ejemplo a 20°C o 25°C, y no es práctico mantenerlos permanentemente a 0°C.

Por ello, los termómetros digitales modernos suelen incorporar un sensor de temperatura cerca de los terminales de entrada para medir la temperatura real de la unión de referencia.

A continuación, el instrumento realiza el siguiente proceso:

● Mide la pequeña tensión del termopar;
● Mide la temperatura de la unión de referencia;
● Calcula la tensión termoeléctrica equivalente correspondiente a esa temperatura de referencia;
● Aplica la compensación necesaria al voltaje medido;
● Convierte el valor compensado en temperatura utilizando la relación correspondiente al tipo de termopar.

Por tanto, una medición real no puede describirse simplemente como:

Voltaje → Temperatura

Es más correcto expresarla como:

Voltaje del termopar + temperatura de referencia + tipo de termopar + datos de conversión → temperatura real

¿Por qué es tan pequeño el voltaje de salida de un termopar?

La sensibilidad de los termopares suele ser de solo varias decenas de microvoltios por grado Celsius. Incluso al medir temperaturas de varios cientos de grados Celsius, la salida puede ser de apenas unos milivoltios o algunas decenas de milivoltios.

Un nivel de señal tan pequeño presenta varias implicaciones:

● Puede verse afectado por interferencias electromagnéticas;
● Los materiales de los conductores y las conexiones influyen en la medición;
● El circuito de medida debe tener alta impedancia de entrada y bajo ruido;
● El instrumento necesita resolución suficiente para medir voltajes muy pequeños;
● Los cables de extensión o compensación incorrectos pueden introducir tensiones termoeléctricas adicionales.

Aunque la pantalla de un termómetro muestre simplemente un valor de temperatura, internamente suelen realizarse amplificación, filtrado, compensación de unión fría, linealización y conversión analógico-digital.

¿Un voltaje mayor significa siempre una temperatura mayor?

Para un mismo tipo de termopar, bajo las mismas condiciones de referencia y dentro de su rango de trabajo especificado, un aumento de la tensión termoeléctrica suele corresponder a un aumento de la temperatura de medición.

Sin embargo, esta regla no debe aplicarse sin considerar las condiciones completas de la medición.

Es necesario tener en cuenta:

● Si se utiliza el mismo tipo de termopar;
● Si la polaridad es correcta;
● Si ha cambiado la temperatura de la unión de referencia;
● Si el termopar está funcionando dentro de su rango previsto;
● Si el voltaje se ha visto afectado por interferencias o tensiones termoeléctricas no deseadas.

Por esta razón, no deben compararse directamente los valores en milivoltios de diferentes tipos de termopares para determinar cuál está midiendo una temperatura más alta.

¿Por qué la polaridad afecta al voltaje del termopar?

Un termopar tiene un conductor positivo y otro negativo.

Cuando la unión de medición está a una temperatura superior a la unión de referencia y la conexión respeta la polaridad especificada, el instrumento mide una tensión termoeléctrica con la polaridad esperada.

Si se invierten los conductores positivo y negativo, también se invierte la polaridad del voltaje. Esto puede provocar una indicación incorrecta o una evolución de temperatura contraria a la real.

Por ejemplo, cuando la temperatura real aumenta:

● Polaridad correcta: aumenta la temperatura indicada;
● Polaridad invertida: la lectura puede disminuir o presentar valores claramente anómalos.

Por tanto, debe mantenerse la polaridad correcta al conectar termopares, cables de extensión o cables de compensación.

¿Qué factores pueden provocar diferencias entre el voltaje y la temperatura real?

Aunque el termopar genere correctamente una tensión termoeléctrica, diversos factores pueden producir una diferencia entre la temperatura indicada y la temperatura real.

Entre las causas más comunes se encuentran:

● Selección incorrecta del tipo de termopar en el instrumento;
● Polaridad invertida;
● Error en la compensación de unión fría;
● Uso de un cable de extensión o compensación incorrecto;
● Gradientes de temperatura importantes en los terminales;
● Envejecimiento, oxidación o contaminación del termopar;
● Interferencias electromagnéticas sobre la señal de bajo nivel;
● Equilibrio térmico insuficiente entre la unión de medición y el objeto medido;
● Funcionamiento fuera del rango de temperatura recomendado.

La precisión de una medición con termopar depende, por tanto, no solo del propio sensor, sino también del instrumento, el cableado, la instalación y las condiciones ambientales.

FAQ

¿Un termopar produce el mismo incremento de voltaje por cada aumento de 1°C?

No. El coeficiente Seebeck cambia con la temperatura, por lo que la variación de voltaje por grado Celsius no es constante en todo el rango. En intervalos reducidos puede utilizarse una aproximación lineal, pero las mediciones precisas requieren los datos de conversión correspondientes.

¿Un termopar genera voltaje de CA o de CC?

Un termopar genera una tensión termoeléctrica de corriente continua muy pequeña. Su polaridad depende de la combinación de materiales, del sentido de conexión y de la relación de temperatura entre la unión de medición y la unión de referencia.

¿Se puede medir el voltaje de un termopar con un multímetro?

Sí. Un multímetro adecuado puede medir la salida en milivoltios. Sin embargo, un multímetro convencional normalmente no realiza automáticamente la conversión según el tipo de termopar, la compensación de unión fría ni la linealización. Por tanto, el valor en milivoltios no debe interpretarse directamente como temperatura.

¿Los distintos tipos de termopares generan el mismo voltaje a la misma temperatura?

No. Los tipos K, J, T, E y otros utilizan diferentes combinaciones de materiales y, por tanto, poseen diferentes propiedades Seebeck y diferentes características voltaje–temperatura.

¿Una lectura de 0 mV significa que la temperatura es de 0°C?

No necesariamente. Una tensión próxima a 0 mV suele significar que la unión de medición y la unión de referencia se encuentran a temperaturas similares. Si ambas están, por ejemplo, cerca de 25°C, la tensión termoeléctrica diferencial también será próxima a cero.

¿Por qué hay que seleccionar K, J, T o E en un termómetro para termopares?

Cada tipo de termopar tiene una relación voltaje–temperatura diferente. El instrumento debe utilizar los datos correspondientes al termopar realmente conectado para convertir correctamente la señal en milivoltios en temperatura.

Conclusión

La medición con termopares se basa en el efecto Seebeck, mediante el cual dos materiales conductores diferentes convierten una diferencia de temperatura en una pequeña tensión de corriente continua.

Existe una relación definida entre el voltaje del termopar y la temperatura, pero normalmente no puede describirse mediante una proporción lineal fija. Cada tipo de termopar tiene sus propias propiedades termoeléctricas y requiere las tablas de referencia o algoritmos de conversión correspondientes.

Además, la tensión del termopar no depende únicamente de la temperatura absoluta de la unión de medición, sino también de la unión de referencia. Por ello, los termómetros modernos utilizan compensación de unión fría para convertir con precisión señales de microvoltios o milivoltios en la temperatura real de medición.

El principio fundamental puede resumirse así: diferencia de temperatura → tensión termoeléctrica → compensación y linealización → temperatura.