TERMOPARES

TEORÍA, TIPOS Y APLICACIONES

RESUMEN
Un termopar es un dispositivo en estado sólido que se utiliza para convertir la energía en voltaje. Consta de dos metales diferentes empalmados en una juntura. Estos dos metales están conectados en dos diversos ensambles, uno para la medida de la temperatura y el otro para la referencia. La diferencia de la temperatura entre los dos ensambles es detectada midiendo el cambio en el voltaje (fuerza electromotriz, F.E.M.) a través de los metales disímiles en el ensamble de la medida de la temperatura. Los termopares se emplean como sensores de temperatura y para su fabricación pueden utilizarse materiales tales como: hierro-constantano, cobre- constantano o antimonio-bismuto.

INTRODUCCIÓN
Cuando se procedió al siguiente paso de los materiales compuestos, se extendió en forma significativa nuestras capacidades para diseñar materiales. Secuencialmente los materiales han sido cada vez más complejos y de esta forma nos han proveído de una versatilidad cada vez mayor. Los materiales compuestos tienen múltiples orígenes los cuales pueden complementarse de manera conveniente con los conceptos de estructura-propiedades. Las decisiones para la selección de los materiales que se van a exponer a un ambiente con temperaturas elevadas, cambios de temperaturas o gradientes termales requieren que el ingeniero de diseño tenga una comprensión amplia de las características termales de los materiales que componen estos instrumentos. Los termopares están entre los sensores de temperatura más fáciles de utilizar y de obtener, y se utilizan extensamente en ciencia e industria. La elección del tipo óptimo del termopar se basa en la temperatura de aplicación, el medio al que será expuesto, la vida útil necesaria, la exactitud requerida y el costo.

TEORÍA
Cuando un conductor metálico es sometido a una diferencia de temperatura, entre sus extremidades surge una fuerza electromotriz (F.E.M.), cuyo valor por lo general no excede el orden de magnitud de milivoltios, como consecuencia de la redistribución de los electrones en el conductor cuando éstos se someten a un gradiente de temperatura. La figura siguiente representa esquemáticamente el fenómeno.

El valor de la F.E.M. depende de la naturaleza del material y del gradiente de temperatura entre sus extremidades. En el caso de un material homogéneo, el valor de laF.E.M. no depende de la distribución de temperatura a lo largo del conductor, pero si, como hemos dicho anteriormente, de la diferencia de temperatura entre sus extremidades. Este fenómeno es básico para poder entender la termoelectricidad y su aplicación en la medición de temperatura.
Tres efectos principales están implicados en un circuito del termopar: los efectos de Seebeck, de Peltier y de Thomson. 
Consideremos dos metales denominados genéricamente “A” y “B” sometidos a la misma diferencia de temperatura entre sus extremidades. En cada uno de ellos surgirá una fuerza electromotriz de acuerdo a con la figura a continuación:

Se comprobó entonces que cuando los metales son unidos en una de las extremidades de acuerdo con la figura siguiente, se mide una fuerza electromotriz entre las extremidades separadas, cuyo valor corresponde a la diferencia entre los valores de la F.E.M. que surge en cada uno de los metales.

A este fenómeno se le conoce como efecto Seebeck y la configuración de la figura de arriba corresponde al sensor de temperatura conocido como termopar o par termométrico. Los elementos “A” y “B” que constituyen el termopar se denominan termoelementos y, a raíz de la polaridad de la fuerza electromotriz EAB, “A” es el termoelemento positivo y “B” el termoelemento negativo del termopar “AB”.
En la configuración de un termopar la extremidad en la cual se hace la unión de los termoelementos se denomina junta de medición, mientras que la otra se denomina junta de referencia. Si la temperatura de la junta de referencia se fija en 0ºC, entonces el valor de la F.E.M. dependerá solamente de la temperatura de la junta de medición “T1”, estableciendo la relación T a EAB (T). El conocimiento de esta relación permite utilizar el termopar como un sensor de temperatura.
El cambio de F.E.M. en el material con respecto a un cambio de temperatura se llama el coeficiente de Seebeck o la sensibilidad termoeléctrica. 
La F.E.M. reversible y asociada con los cambios en temperatura se llama el efecto de Peltier. Finalmente, el efecto de Thomson relaciona el gradiente y la F.E.M. termales reversibles en un conductor homogéneo.
Un circuito típico del termopar puede ser ilustrado así: 

Si las funciones del coeficiente de Seebeck de los dos materiales del alambre del termopar están pre-calibradas y la temperatura de referencia fijada (generalmente por un baño de hielo 0°C), la temperatura en la extremidad de la punta de prueba se convierte en la única desconocida y se puede relacionar directamente con la lectura del voltaje. 
La ley del circuito homogéneo resalta el hecho que si el termopar es formado por termoelementos homogéneos, el valor de la fuerza electromotriz generada depende solamente de la diferencia de temperatura entre la junta de medición y la junta de referencia. Esta información que ya ha sido citada, es nuevamente presentada para resaltar que el valor de la fuerza electromotriz no depende del largo del termopar, ni del diámetro de los termoelementos que componen el termopar, ni de la distribución de temperatura a lo largo de él. Sin embargo, como consecuencia del uso del termopar en la medición de la temperatura de un proceso, es muy frecuente que con el tiempo el termopar presente heterogeneidad que traerá como consecuencia la alteración del valor de la F.E.M. (suponiendo que la temperatura del proceso se mantenga constante), que empezará a depender inclusive del perfil de la temperatura a lo largo del termopar. Un termopar con termoelementos de diámetros menores se vuelve heterogéneo más rápidamente y de forma tanto más intensa a temperaturas muy altas.
La ley de las temperaturas intermedias, muestra una propiedad adicional de la fuerza electromotriz termoeléctrica en relación con la diferencia de temperatura entre sus extremidades. Normalmente la junta de referencia se encuentra a la temperatura ambiente y querer mantenerla a 0ºC no es nada práctico, por ejemplo, en una planta industrial. Sin embargo, es posible sortear esa dificultad utilizando una compensación de la temperatura ambiente mediante la adición a la señal del termopar de una fuerza electromotriz con un valor correspondiente a aquél que el termopar generaría con su junta de medición a temperatura ambiente y su junta de referencia a 0ºC, o sea,:
EAB (T) = EAB (T - 0ºC) = EAB (T - TAMBIENTE) + EAB (TAMBIENTE - 0ºC)
La ley de los materiales Intermedios pone en evidencia dos situaciones muy importantes:
1. La inserción de un material “C” en el termopar “AB” no altera el valor de la fuerza electromotriz generada por el termopar, mientras no haya diferencia de temperatura entre las extremidades de contacto del material “C” con el termopar.
2. La relación entre las fuerzas electromotrices generadas por los termopares “AC”, “BC” y “AB”, tiene una aplicación de gran importancia, ya que este fenómeno da la posibilidad de conocer el comportamiento termoeléctrico de cualquier termoelemento en relación con un termoelemento de referencia; y esto se efectúa durante el control de producción de aleaciones termoeléctricas que constituirán los diversos tipos de termopares utilizados. El termoelemento adoptado como referencia, es el de platino con alto contenido de pureza. 
La asociación de dos termopares en serie verifica que en esta configuración el valor de la fuerza electromotriz termoeléctrica entre las extremidades del circuito es la suma de las fuerzas electromotrices generadas en cada uno de los termopares. Esta asociación puede efectuarse con cualquier número de termopares si T1 = T2. y utilizarse como un “amplificador”. 

En la conexión de termopares en oposición el valor de la fuerza electromotriz termoeléctrica entre las extremidades es igual a la diferencia entre los valores de las fuerzas electromotrices generadas en cada uno de los termopares y su mayor utilidad es la de medir la diferencia de temperatura entre dos puntos.

En la asociación de termopares en paralelo el valor de la fuerza electromotriz de la asociación es igual a la media aritmética de las fuerzas electromotrices generadas en cada uno de los termopares y el resultado corresponde a la temperatura media de las temperaturas T1 y T2.

Cuando se introduce un generador en un circuito formado por un par termoeléctrico con ambas extremidades unidas y la misma temperatura inicial; al circular una energía eléctrica “I” por el circuito, se observará que en una de las juntas ocurre un enfriamiento del mismo valor. Al invertirse el sentido de la energía eléctrica, también se invierte el efecto de calentamiento y enfriamiento de las juntas.
TERMOPAR CONVENCIONAL

Esta configuración de termopar corresponde a la más simple y consiste en termoelementos acomodados en aisladores de cerámica que usualmente son denominados mostacillas. Estas mostacillas son producidas con oxido de magnesio (Mg2O) 66,7% con alta conductividad térmica y alta resistencia de aislamiento. La junta de medición es montada por soldadura de los termoelementos. Al soldar los termoelementos se produce un material diferente de los que constituyen cada uno de ellos, pero según la ley de los materiales intermedios, no ocurre ningún cambio en la señal del termopar. Según las condiciones a las que se expondrá el termopar, la soldadura podrá ser de tope y entonces precedida de una torsión, con la finalidad de aumentar su resistencia mecánica. En la junta de referencia va instalado un bloque de ligazón con la finalidad de efectuar la conexión entre el termopar y el alambre/cable. A menudo el termopar convencional es montado dentro de un tubo de protección con la finalidad de proteger los termoelementos del ataque del medio en el que es introducido o aun por medidas de seguridad de la planta industrial. Usualmente los tubos de protección son metálicos o fabricados en cerámica según sean las características de la atmósfera y del rango de temperatura.

TERMOPAR CON AISLAMIENTO MINERAL
El termopar con aislamiento mineral ha sido desarrollado para aplicaciones en el sector nuclear, siendo posteriormente extendido a los demás sectores del proceso productivo.
Entre los principales motivos que generaron su desarrollo fue la necesidad de un termopar con un tiempo de respuesta menor que el que se obtenía con el termopar convencional.
La fabricación de un termopar con aislamiento mineral parte de un termopar convencional montado con un tubo de protección donde todo el conjunto es trefilado. En este proceso los termoelementos quedan aislados entre sí mediante un polvillo compacto de MgO2 y protegidos por una vaina metálica (originalmente el tubo de protección). Después del trefilado, el termopar es sometido a un tratamiento térmico con el objetivo de evaluar las tensiones mecánicas producidas en el trefilado. Los termopares con aislamiento mineral se ensamblan con la junta de medición aislada, puesta a tierra o expuesta, según se muestra en la figura.

En el Termopar con junta aislada, los termoelementos quedan aislados del medio cuya temperatura será monitoreada. La vaina funciona como un blindaje contra las interferencias electromagnéticas. Su tiempo de respuesta es mayor que el de otros tipos de montaje y la durabilidad y repetitividad son las mejores, pues los termoelementos quedan totalmente protegidos.
En el Termopar con junta a tierra, los termoelementos quedan aislados del medio, la vaina no funciona como blindaje y el tiempo de respuesta es mucho menor que el del montaje aislado.
En el Termopar con junta expuesta, los termoelementos quedan expuestas al medio y la vaina no funciona como blindaje electrostático. Este tipo de montaje tiene limitaciones en cuanto a la temperatura máxima de operación para mantener las especificaciones del aislamiento. La durabilidad y la repetitividad de los termoelementos son intensamente afectadas a raíz del medio.
TIPOS DE TERMOPARES 
Los termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC).
El tipo E, J, K, y T son termopares de base metálica y se pueden utilizar hasta por encima de 1000°C. El tipo S, R, y B se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico y se pueden utilizar hasta por encima de 2000°C.
Termopar tipo T (Cu- Constantan)
Termoelemento positivo: Cu 100% 
Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45% 
Rango de utilización: -270ºC a 400ºC
F.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mV
Características: puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras. Gracias a la gran homogeneidad con que el cobre puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. En temperaturas superiores a 300ºC, la oxidación del cobre se torna muy intensa, lo que reduce su vida útil y ocasiona desvíos en la curva de respuesta original.
Termopar tipo J (Fe- Constantan)
Termoelemento positivo: Fe99,5%
Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%
Rango de utilización: -210ºC a 760ºC
F.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mV
Características: puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras. No se recomienda en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas el termoelemento positivo se vuelve quebradizo. Por encima de 540ºC el hierro se oxida rápidamente. No se recomienda en atmósferas sulfurosas por encima de 500ºC.
Termopar tipo E (Cr- Constantan)
Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%
Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%
Rango de utilización: -270ºC a 1000ºC
F.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mV
Características: Puede utilizarse en atmósferas oxidables, inertes o al vacío, no debe utilizarse en atmósferas alternadamente oxidables y reductoras. Dentro de los termopares a menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura.
Termopar tipo K (Cr- Constantan)
Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%
Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2%
Rango de utilización: -270ºC a 1200ºC
F.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mV
Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables. Por su alta resistencia a la oxidación se utiliza en temperaturas superiores a 600ºC y en algunas ocasiones en temperaturas por debajo de 0ºC. No debe utilizarse en atmósferas reductoras y sulfurosas. En temperaturas muy altas y atmósferas pobres en oxigeno ocurre una difusión del cromo, lo que ocasiona grandes desvíos de la curva de respuesta del termopar. Este último efecto se llama “green - root”.
Termopar tipo N (Nicrosil - Nisil)
Termoelemento positivo: Ni84,4%, Cr14,2%, Si1,4%
Termoelemento negativo: Ni95,45% Si4,40%, Mg0,15%
Rango de utilización: -270ºC a 1300ºC
F.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mV
Características: Este nuevo tipo de termopar es un sustituto del termopar tipo K que posee una resistencia a la oxidación superior a éste. En muchos casos también es un sustituto de los termopares a base de platino a raíz de su temperatura máxima de utilización. Se recomienda para atmósferas oxidables, inertes o pobres en oxígeno, ya que no sufre el efecto “green - root”. No debe exponerse a atmósferas sulfurosas. 
Termopar tipo S
Termoelemento positivo: Pt90%, Rh10%
Termoelemento negativo: Pt100%
Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
F.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mV
Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, presenta estabilidad a lo largo del tiempo en temperaturas elevadas, superiores a las de los termopares no constituidos de platino. Sus termoelementos no deben exponerse a atmósferas reductoras o con vapores metálicos. Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos, pero sí en tubos con protección de cerámica. Fabricado con alúmina (Al2O3) de alto contenido de pureza. Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de protección de platino. No se recomienda el uso de los termopares de platino en temperaturas abajo de 0ºC debido a la inestabilidad en la respuesta del sensor. En temperaturas por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los dejan quebradizos.
Termopar tipo R
Termoelemento positivo: Pt87%, Rh13%
Termoelemento negativo: Pt100%
Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
F.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mV
Características: Posee las mismas características del termopar tipo "S", aunque en algunos casos es preferible el tipo "R" por tener una potencia termoeléctrica mayor en un11%.

Termopar tipo B
Termoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%
Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%
Rango de utilización: 0ºC a 1820ºC
F.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mV
Características: Puede ser utilizado en atmósferas oxidables, inertes y por un corto espacio de tiempo en el vacío. Normalmente se utiliza en temperaturas superiores a 1400ºC, por presentar menor difusión de rodios que los tipos S y R. A temperaturas abajo de los 50ºC la fuerza electromotriz termoeléctrica generada es muy pequeña.
APLICACIONES
Los termopares se emplean como sensores de temperatura e instrumentos semejantes a los termómetros denominados pirómetros o termómetros de la radiación, este es un instrumento sin contacto que detecta la temperatura superficial de un objeto midiendo la temperatura de la radiación electromágnetica (infrarroja o visible) emitida del objeto. En un pirómetro, el voltaje producido por un termopar origina que una corriente circule a través de un medidor eléctrico, el cual se calibra para indicar directamente el valor de la temperatura. Los pirómetros pueden medir con mucha precisión temperaturas que van desde 1,500 a 6,000ºC.
Un termopar puede colocarse en un horno; cuando aumenta la temperatura en el horno, también aumenta el voltaje que se genera en el termopar. En consecuencia pasa más corriente por el medidor. En tal caso, el medidor indica el aumento de corriente como una temperatura mayor. 
Los termopares son muy frecuentes en el uso de termopilas, que son varios termopares asociados en serie como un detector de energía radiante.

PROS
Bajo costo.
No hay piezas móviles, menos probabilidad de romperse.
Amplia gama de temperaturas.
Tiempo de reacción razonablemente corto.
Capacidad de repetición y exactitud razonables.
CONTRA
La sensibilidad es baja, generalmente 50 µV/°C o menos. Este problema se puede mejorar (pero no eliminar) por una mejor señal filtrada, blindando, y por la conversión de análogo a digital. 
Generalmente la exactitud no es mejor que 0,5 °C.
Requiere una temperatura de referencia, generalmente la del hielo (0°C). Por otra parte, los termopares modernos confían en una referencia generada eléctricamente.

CONCLUSIONES
Los termopares así como todos los sensores de temperatura presentan una indicación que corresponde a su propia temperatura. Lo deseable es que la temperatura sea igual o muy cercana a la temperatura del proceso que se desea monitorear. 
Un termopar convencional con un tubo de protección metálico se encuentra sometido a una diferencia de temperatura, pues una parte de él está en contacto con el proceso y la otra extremidad en contacto con el ambiente, cada una de ellas a cierta temperatura. Es inevitable, por tanto, que por el conjunto sensor/tubo de protección exista un flujo de calor que parte de la región de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. El equilibrio ocurre cuando el flujo de calor recibido por el sensor es igual al que se ha perdido, por lo que en tal situación su temperatura no es necesariamente igual a la temperatura del proceso.
Cuando la temperatura del proceso se puede monitorear y cuando el valor de la temperatura medida del sensor esté más próximo a éste, se deben tomar algunos cuidados cuando se escoge el sensor y sus accesorios, y durante la instalación del conjunto en el proceso.
El conjunto sensor/accesorios debe tener una masa que sea lo menor posible comparada con la masa del proceso. Existe una resistencia térmica del conjunto que puede provocar una diferencia de temperatura entre el sensor y el proceso; y tanto mayor es la masa de ese conjunto, mayor será el valor de la resistencia.
Otro fenómeno indeseable es cuando el proceso presenta fluctuaciones en el valor de su temperatura ya que por la inercia del sensor, estas fluctuaciones son atenuadas o simplemente no se detectan, hecho directamente relacionado con la masa del sensor.
Un factor de importancia es la profundidad de inmersión del sensor en el medio, cuya temperatura se desea medir. Tanto mayor sea la inmersión del sensor, menor será el gradiente de temperatura al que la junta de medición estará sometida, en el caso de un termopar. La consecuencia es que la temperatura de la junta de medición se acerca a la temperatura del medio. Una recomendación práctica es que la profundidad de inmersión sea, como mínimo, igual a diez veces el valor del diámetro externo del conjunto.
Cuando el conjunto termopar/cable de extensión se instale en un lugar de la planta próximo a fuentes de campos electromagnéticos, es muy probable que ocurran inducciones en el conjunto que causan una lectura equivocada de valores de temperatura en el indicador. En esta situación se deben utilizar termopares no puestos a tierra, pero si debe estarlo la vaina del tubo de protección, así como el cable de extensión-compensación, que también debe ser blindado y puesto a tierra.
Debe considerarse que los termopares en general se deterioran con el tiempo y ello ocurre de forma significativa cuando se instalan en procesos a altas temperaturas y en ambientes agresivos. Por tanto, a raíz de las peculiaridades de cada proceso se debe establecer una vida útil para el sensor y proceder a su sustitución preventiva o a calibrar el conjunto con periodicidad.

 Acontinaucion una Simulacion del funcionamiento de un termopar

 
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