Termopar: ¿Qué es? (Tipos y cómo funciona)

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¿Qué es un termopar?

¿Qué es un termopar?

Un termopar se define como una unión térmica que funciona en función del fenómeno del efecto termoeléctrico, es decir, la conversión directa de las diferencias de temperatura en una tensión eléctrica . Es un dispositivo o sensor eléctrico que se utiliza para medir la temperatura.

Un termopar puede medir una amplia gama de temperaturas. Es un sensor de temperatura simple, robusto y rentable que se utiliza en diversas aplicaciones industriales, domésticas, de oficina y comerciales.

En 1821, el físico alemán Thomas Johann Seebeck descubrió que se produce un campo magnético cuando dos metales diferentes están conectados en un extremo y crean una diferencia de temperatura entre dos extremos.

Observó que debido al campo magnético el voltaje es inducido por el efecto termoeléctrico. Sin embargo, este voltaje es muy pequeño (en términos de mV) y depende del tipo de metal utilizado en el termopar.

Según las aplicaciones, las diferentes configuraciones diseñadas de termopares incluyen sondas de termopar, sondas con conectores, termopares infrarrojos, termopares de cable base y solo cable de termopar.

¿Cómo funciona un termopar?

Un termopar consta de dos placas de diferentes metales. Ambas placas están conectadas en un extremo y forman una unión.

La unión se coloca sobre el elemento o superficie donde queremos medir la temperatura. Esta unión se conoce como unión caliente. Y el segundo extremo de la placa se mantiene a una temperatura más baja (temperatura ambiente). Esta unión se conoce como unión fría o unión de referencia.

Trabajo de termopar
Trabajo de termopar

Según el efecto Seebeck , la diferencia de temperatura entre los dos metales diferentes induce las diferencias de potencial entre dos puntos de las placas de termopar.

Si el circuito está cerrado, una cantidad muy pequeña de corriente fluirá a través del circuito. Un voltímetro está conectado en el circuito. El voltaje medido por el voltímetro es función de una diferencia de temperatura entre dos uniones.

Por lo tanto, midiendo el voltaje, podemos calcular la temperatura de la unión caliente.

La forma en que se logra la medición de la temperatura utilizando un termopar se amplía en el siguiente video:

 

Tipos de termopares

Según los diferentes tipos de combinaciones de aleaciones, los termopares están disponibles en diferentes tipos. El tipo de termopar se elige de acuerdo con la aplicación, el costo, la disponibilidad, la estabilidad, las propiedades químicas, la salida y los rangos de temperatura.

Aquí discutiremos diferentes tipos de termopares con sus características.

Termopar tipo K

El termopar tipo K es el tipo más común de termopar y tiene el rango de medición de temperatura más amplio.

El cable positivo del termopar tipo K está compuesto de aproximadamente un 90% de níquel y un 10% de cromo. El plomo negativo está compuesto de aproximadamente 95% de níquel, 2% de aluminio, 2% de manganeso y 1% de silicio.

El cable positivo es de color amarillo y es un material no magnético. El cable negativo es de color rojo y es un material magnético. Y la chaqueta en general es de color amarillo.

El rango de temperatura del termopar tipo K es de -200˚C a + 1260˚C (-328 F a +2300 F). Es económico y se usa ampliamente en aplicaciones de uso general donde la sensibilidad a la temperatura requiere aproximadamente 41μV / ˚C.

La precisión del termopar tipo K es de ± 2,2 C% (0,75%). La precisión del termopar también depende de la desviación de las aleaciones.

El termopar tipo K funciona mejor en una atmósfera oxidante limpia. No se recomienda su uso en condiciones de oxidación parcial en vacío.

Termopar tipo T

Este tipo de termopar es adecuado para medir la baja temperatura. El plomo positivo está compuesto de cobre y el negativo está compuesto de constantan (45% de níquel y 55% de cobre).

La sensibilidad del termopar tipo T es de 43 µV / ° C. Este termopar es apto para trabajar en atmósfera oxidante. El rango de temperatura de este termopar está entre -200 ° C y 350 ° C.

Termopar tipo J

Este tipo de termopar es un termopar de bajo costo y más utilizado. El plomo positivo está hecho de hierro y el negativo está hecho de constantan (45% de níquel y 55% de cobre).

El cable positivo es de color blanco y el terminal negativo es de color rojo. Y la chaqueta en general es de color negro.

El rango de temperatura del termopar tipo J es de -210˚C ​​a 750˚C (-346F a 1400F). Este tipo de termopar tiene un rango de temperatura más pequeño y una vida útil corta en comparación con el termopar tipo K. Pero este tipo de termopar es muy adecuado para las atmósferas oxidantes.

La precisión de este tipo de termopar es ± 2,2˚C (0,75%). Este tipo de termopar no se recomienda para aplicaciones de baja temperatura. Y la sensibilidad de este tipo de termopar es de aproximadamente 50μV / ˚C.

Termopar tipo E

Este tipo de termopar tiene una mayor precisión y una señal más fuerte que los termopares tipo K y J en rangos de temperatura moderados. Y es un termopar de tipo más estable que el tipo K. El termopar de tipo E produce el EMF más alto por grado que otros tipos de termopar.

El plomo positivo está compuesto de níquel-cromo (90% de níquel y 10% de cromo) y un terminal negativo está compuesto de constantan (95% de níquel, 2% de aluminio, 2% de manganeso y 1% de silicio). El cable positivo es de color púrpura y el negativo es de color rojo.

El rango de temperatura de este tipo de termopar está entre -270˚C a 870˚C (454 a 1600F). Y la precisión estándar es ± 1,7˚C%.

Este tipo de termopar se utiliza cuando se requiere una alta precisión y una respuesta rápida. No se utiliza para aplicaciones de vacío o bajo contenido de oxígeno y entornos sulfúricos. El costo del termopar tipo E es mayor que el del termopar tipo J y K.

Termopar tipo N

El termopar tipo N está diseñado por la Organización de Ciencia y Tecnología de Defensa (DSTO) de Australia, por Noel A. Burley. Los límites de precisión y temperatura del termopar tipo N son los mismos que los del termopar tipo K.

El rango de temperatura del termopar tipo N está entre -270 ° C y 1300 ° C. La sensibilidad es ligeramente más baja que la del termopar tipo K y es de 39μV / ˚C.

El termopar tipo N está compuesto por Nicrosil y Nisil. Donde Nicrosil es una combinación de níquel, cromo y silicio. E hizo cable positivo. El Nisil es una combinación de níquel y silicio. E hizo cable negativo.

Este termopar es la mejor alternativa del termopar tipo K para condiciones de bajo oxígeno. Este tipo de termopar es adecuado para su uso en vacío, atmósfera oxidante, atmósfera inerte o atmósfera seca.

Termopar tipo S

Los termopares tipo S se utilizan para aplicaciones de temperatura más alta. Debido a su alta precisión y estabilidad, a veces también se usa para bajas temperaturas.

El rango de temperatura del termopar tipo S está entre 630 ° C y 1064 ° C. El cable positivo está compuesto por un 90% de platino, un 10% de rodio y el LED negativo está compuesto por platino.

Generalmente, este tipo de termopar se utiliza en aplicaciones como las industrias farmacéutica y biotecnológica, donde la alta temperatura debe medirse con alta precisión.

Termopar tipo R

El termopar tipo R también está compuesto de platino y rodio. Pero el rango de salida y la estabilidad del termopar tipo R es ligeramente mayor que el del termopar tipo S.

El termopar de plomo positivo pf tipo R está compuesto por un 87% de platino y un 13% de rodio. Y el prospecto negativo está compuesto de platino. El rango de temperatura de este termopar está entre 0 ° C y 1600 ° C.

Termopar tipo B

Los termopares tipo B también se componen de una combinación de platino y rodio. El cable positivo de un termopar está compuesto por un 70% de platino y un 30% de rodio. Y el plomo negativo está compuesto por un 94% de platino y un 6% de rodio.

El termopar tipo B se utiliza para medir la temperatura hasta 1800 ° C. Pero la salida de este termopar es menor en comparación con los termopares tipo R y S.

¿Cómo saber si tiene un termopar defectuoso?

Para entender cuándo tenemos un termopar defectuoso, primero tenemos que entender el principio de funcionamiento de un buen termopar (uno que esté funcionando)

Un termopar funciona mediante el efecto termoeléctrico, es decir, la conversión directa de las diferencias de temperatura en un voltaje eléctrico. Cuando las sondas de un termopar se colocan sobre una superficie cuya temperatura queremos medir, las sondas están a temperaturas ligeramente diferentes.

Debido a esta diferencia de temperatura, se produce un EMF. Y este EMF es proporcional a la temperatura.

Puede medir la EMF generada con la ayuda de un milivoltímetro. El milivoltímetro conectado con ambas sondas de un termopar.

Ahora bien, si aumenta la temperatura, el EMF generado también debería aumentar.

Entonces, si la lectura de EMF no varía con respecto a la temperatura, entonces el termopar está defectuoso / no funciona correctamente.

Antes de usar un termopar, debe tener la hoja de datos de referencia del termopar que está usando. En la hoja de datos, puede encontrar la tabla de temperatura y EMF correspondiente.

RTD vs termopar

RTD ( detectores de termómetro de resistencia ) y termopar, ambos dispositivos se utilizan para medir la temperatura. Y es difícil concluir cuál es mejor para el rendimiento general como sensor de temperatura.

Pero si especifica algunos parámetros de rendimiento como el costo, el rango de temperatura, la robustez y la velocidad de medición, el termopar tiene un mejor rendimiento en comparación con el RTD.

El costo de un termopar es mucho menor (casi 2,5 a 3 veces) en comparación con RTD. Y además, el costo de instalación es más económico. El RTD está diseñado para medir un rango limitado de temperaturas.

La ventaja de un RTD es que es más preciso en comparación con el termopar. Y la repetibilidad de la medición es mayor en comparación con el termopar. Por lo tanto, se prefiere RTD en la aplicación donde se requiere la temperatura más precisa.

Entonces, ambos dispositivos tienen sus ventajas y desventajas. El termopar tiene una amplia gama de medidas de temperatura, más económico y duradero. Por otro lado, RTD tiene una mejor precisión y una medición confiable.

Códigos de color de termopar

El código de color del termopar es diferente según los estándares de los diferentes países. En la siguiente tabla, hemos discutido el código de color con diferentes estándares.

Código de color de termopar
Códigos de color de termopar

¿Cuánto tiempo debe durar un termopar?

La vida útil del termopar depende de la aplicación en la que se utilice. Por lo tanto, no podemos definir exactamente la vida útil del termopar.

Si lo mantiene adecuadamente, durará hasta años. Pero, después de algunos años de uso continuo, tal vez se produzca un efecto de envejecimiento. Y debido a esto, generará una señal de salida débil.

El costo del termopar no es mucho mayor. Por lo tanto, se recomienda cambiar el termopar después de 2 a 3 años.

Aplicaciones de termopares

Las aplicaciones de los termopares se enumeran a continuación:

  • Se utiliza para controlar la temperatura en las industrias del acero y el hierro. Para este tipo de aplicación, los termopares tipo B, S, R y K se utilizan en el horno de arco eléctrico.
  • El principio de un termopar se utiliza para medir la intensidad de la radiación incidente (especialmente la luz visible e infrarroja). Este instrumento se conoce como sensor de radiación de termopila.
  • Se utiliza en los sensores de temperatura de los termostatos para medir la temperatura de la oficina, salas de exposición y hogares.
  • El termopar se utiliza para detectar la llama piloto en los aparatos que solían generar calor a partir de gas como un calentador de agua.
  • Para probar la capacidad actual, se instala para monitorear la temperatura mientras se prueba la estabilidad térmica del equipo de conmutación.
  • La cantidad de termopares se instala en la planta de producción química y las refinerías de petróleo para medir y monitorear la temperatura en una etapa diferente de la planta.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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