Termocupla o termopares

Acerca del proyecto

Una termocupla es un sensor de temperatura que obtiene su valor con respecto al efecto electrico en los metales con los que se crea, en este post explicaremos el efecto y como funciona. Además explicaremos a detalle el efecto físico que se genera para poder obtener dicho valor de temperatura.

Conocimiento previo

Para realizar este proyecto se requiere conocimiento previo de los siguientes temas, si aun no has trabajado con lo que se menciona en la siguiente tabla, allí están los links a los post para que puedas dar un repaso adicional o puedas recordar el conocimiento necesario para poder realizar este proyecto.

Definición

La termocupla o termopar es un sensor utilizado en la medición de temperatura en entornos industriales. Su pequeño tamaño y respuesta rápida lo hacen ser herramientas que trabajarán en entornos peligrosos o difíciles, estos sensores tienen la capacidad de medir de manera precisa y rápida temperaturas extremas en cualquier lugar dentro del rango de 270°C a 2,500°C, dependiendo de su configuración específica.

Además de esta capacidad de medir altas temperaturas, son sensores fáciles de utilizar en comparación con otros tipos de sensores, asimismo son extremadamente fuertes y muy eficientes.

Los diferentes tipos de termopares o termocuplas, típicamente denominados con las letras J, K, L, N o T, cada uno tiene extremos totalmente diferentes, los cuales son características claves para medir un rango de temperatura; algunos están diseñados con materiales específicos para resistir temperaturas altas y entornos más extremos.

Funcionamiento

[1] Una termocupla está formada por dos metales distintos, soldados en uno de sus extremos y conectados a un termómetro de tipo termopar u otro dispositivo capaz de medir termopares, esta unión forman un circuito cerrado que genera una fuerza electromotriz cuando las dos juntas (T1 y T2) se mantienen a diferentes temperaturas.

Observemos la imagen anterior donde tenemos un gráfico que ilustra la unión de dos cables de dos metales distintos que están soldados en cada una de sus puntas, imagen (a), ahora imaginémonos que en la primera punta se coloca una fuente de calor tal que la temperatura allí va a aumentar, esta temperatura la llamamos T1 y asumimos que va a ser mayor a la temperatura dos que se generará en el otro extremo del cable (T2). El extremo donde está La T1 será la punta sensora.

Esta punta sensora T1, tiene en particular una cantidad de calor que está realizando un efecto donde genera una corriente en el circuito teniendo en cuenta que no hay ninguna fuente de voltaje; ¿cómo es posible que se produzca un flujo de corriente?, la fuente de calor produce una tensión que es quien ocasiona que se mueva la corriente.

Para entender este principio que más adelante lo explicamos a detalle, vamos a mirar lo que sucede en la figura (b), donde separamos los dos metales del extremo de la derecha, tenemos que el metal 1 y 2 están soldados en su punto T1 que es la fuente de calor que eleva la temperatura, ahora colocamos un voltímetro del otro extremo y vemos un voltaje en estas puntas marca algún valor determinado que depende de la temperatura de T1, el voltaje puede ser en la escala de milivoltios.

Entonces este es el primer caso, ¿pero qué sucede? y ¿por qué aparece una tensión?, revisemos en la figura (c), si unimos estas puntas como en el caso inicial y separamos ahora el metal 2 o lo cortamos y colocamos el voltímetro, observamos que aparece la misma cantidad de tensión, que aparece en la figura (b) en este caso tenemos una tensión que está apareciendo por causa de una fuente de calor.

Vamos a analizar el comportamiento de la temperatura en un trozo de alambre que puede ser de cualquier metal, ademas vamos a asumir que el siguiente análisis es ideal, que el multimetro no afecta en ningun sentido la temperatura del cable o su valor que vamos a medir.

Observemos la imagen anterior donde tenemos el alambre de metal, vemos que T1 está en un extremo y es la temperatura ambiente o de referencia, T2 es el otro extremo que es donde está la fuente de calor; lo primero a tener en cuenta es que T2 tiene mayor temperatura que T1, entonces lo que observamos es T2 produce una vibración alta en los átomos de ese extremo del alambre, la consecuencia de ello es que electrones son empujados hacia el lado izquierdo de manera que el extremo caliente se vuelve positivo con respecto al extremo frío quien se vuelve negativo; de esta manera aparece una tensión entre un extremo y el otro, esa tensión se le conoce con el nombre Emf (fuerza electromotriz), este voltaje, tensión o fuerza electromotriz que aparece a lo largo de este alambre tiene una tensión eléctrica, entonces es lo que va a hacer el principio de funcionamiento del termopar o termocumpla.

Ahora, si analizamos un sistema con dos cables de metales diferentes con el mismo diámetro y longitud, la tensión que se produce por causa de la fuente de calor es diferente, es decir se producen fuerzas electromotrices o tensiones diferentes.

Analicemos la imagen anterior, tenemos dos alambres de metales distintos, si calentamos las puntas T1 de cada metal como lo vimos en la imagen voltaje en un cable, podemos darnos cuenta que los electrones se moverán del punto caliente al punto frío, pero ahora tenemos otra propiedad con estos dos alambres, como son de distinto metal el flujo de electrones va a hacer distinto, ya que no se van a calentar de igual forma y su resistencia es diferente.

Si cerramos el circuito como se ilustra en la imagen flujo electrones en termocupla y la punta T1 unimos los dos metales, colocamos la fuente de calor y a la punta T2 colocamos el amperímetro, se va a generar un flujo de corriente, ya que al ser de distinto metal como lo explicamos en los electrones se van a mover en el sentido del metal que tenga menor resistencia, así como podemos observar los electrones se mueven de la punta T1 a T2 donde esta el multímetro cerrando el circuito y de T2 a T1 donde está la fuente de calor.

Ahora en estos dos extremos hay un flujo de electrones y aparece una corriente cuando cerramos el circuito, o si tenemos el circuito abierto entonces un voltaje; este voltaje es una función prácticamente lineal de la temperatura que está en el extremo caliente T1 de tal forma que vamos a poder medir la temperatura con respecto al voltaje.

Tipos de termocuplas

Tenemos a disposición varios tipos de termocuplas, esto depende del rango de medición de temperatura que necesitamos medir, a continuación dejo una tabla en donde se mencionan los distintos tipos de termocuplas y sus características principales.

Principios físicos funcionamiento

El principio de medición de temperatura utilizando termocuplas se basa en tres principios físicos, que son:

Efecto Thomson (1851)

Un gradiente de temperatura en un conductor metálico está acompañado por un gradiente de voltaje, cuya magnitud y signo depende del metal que se esté utilizando.

Efecto Seebeck (1821)

Al unir dos alambres de materiales diferentes formando un circuito, se presenta una corriente eléctrica cuando las junturas se encuentran a diferente temperatura. Esto es debido a la combinación de los dos efectos anteriores.

Efecto Peltier (1834)

Consiste en que cuando una corriente eléctrica fluye a través de una juntura de dos metales diferentes, se libera o absorbe calor. Cuando la corriente eléctrica fluye en la misma dirección que la corriente Seebeck, el calor es absorbido en la juntura caliente y liberado en la juntura fría.

Referencias

[1] Termocuplas o termopares - LuisT https://www.youtube.com/watch?v=ng9akkcDT7c, Consultado Diciembre 2021