Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
Indice de contenidos
¿Qué es una termopila?
Una termopila es un dispositivo electrónico que convierte la energía térmica en energía eléctrica. Es una matriz de termopares interconectados en serie , que consta de dos materiales diferentes con gran potencia termoeléctrica y polaridades opuestas. Es menos común que se conecte en paralelo.
¿Cómo funciona una termopila?
La salida de voltaje de una sola celda termoeléctrica es muy pequeña, por lo que muchas de estas celdas están dispuestas en serie o en paralelo para lograr una salida de señal más grande. Esta disposición de pila de termopares se conoce como termopila.
Thermopile funciona según el principio de efecto termoeléctrico. La conversión directa de diferencias de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa es el efecto termoeléctrico.
Se genera un voltaje en una termopila cuando sus metales diferentes (termopares) se exponen a diferencias de temperatura.
Al agregar más pares de termopares en serie para formar una termopila, aumenta la salida de voltaje. Las termopilas se pueden construir con un solo par de termopares, que consta de dos uniones de termopar o múltiples pares de termopares.
Una termopila es una serie de termopares, cada uno de los cuales consta de dos materiales diferentes con gran potencia termoeléctrica y polaridades opuestas, interconectados en serie.
Los termopares se colocan a través de las áreas frías y calientes de la estructura y las uniones calientes se aíslan térmicamente de las uniones frías.
En respuesta a la diferencia de temperatura en el material, la salida de voltaje de la termopila se conoce como coeficiente termoeléctrico o coeficiente de Seebeck. Se calcula por kelvin (V / K) o mV / K en voltios.
Para la transferencia de calor, todos los sensores de termopila utilizan radiación infrarroja y también se utilizan para mediciones de temperatura sin contacto.
Como consecuencia, se utiliza en termómetros infrarrojos, pirómetros industriales, instrumentos para el cuidado de la vida, control de temperatura de objetos en movimiento, etc.
Conexiones de termopila:
Con unos termopares enlazados en cadena. A la temperatura T1, los dos termopares superiores son una unión conectada, mientras que las dos uniones de termopar inferiores están a la temperatura T2.
El voltaje de salida de la termopila delta-V es directamente proporcional a la diferencia de temperatura, o T1-T2, a través de la capa de resistencia térmica y el número de pares de uniones de termopar.
Termopila vs termopar
La distinción clave entre el termopar y la termopila es que el termopar es un dispositivo termoeléctrico y la termopila es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía térmica.
Par termoeléctrico
Un termopar consta de dos metales diferentes conectados en serie. Para detectar la radiación, se ennegrece una unión para absorber la radiación.
El aumento de temperatura de la unión (con respecto a otra unión no irradiada) genera un voltaje. Este efecto, descubierto por Seebeck, es la base de todos los sensores de temperatura de termopar .
Un transductor que consta de dos metales distintos soldados entre sí en cada extremo es un termopar que genera un voltaje que es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones, una de las uniones se mantiene típicamente a una temperatura conocida. Debido a esto, también se le conoce como transductor termoeléctrico.
Un termopar es más delgado y tiene un extremo puntiagudo. Funciona a un voltaje más bajo entre 8 mV y 30 mV. Está hecho de un solo par de cables.
Opera midiendo la diferencia de temperatura desde su punto de conexión hasta el punto en el que se mide la tensión de salida del termopar.
El circuito cerrado está hecho de un metal. Debido a la diferencia de temperatura entre las uniones y los puntos de transición de un metal a otro, se genera una corriente debido a la diferencia de potencial entre la unión fría y caliente.
Los termopares se pueden unir en serie con una unión ubicada a cada lado de una capa de resistencia térmica como pares de termopares.
La salida del par de termopares será un voltaje que es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre la capa de resistencia térmica y el flujo de calor a través de la capa de resistencia térmica.
En la ciencia y la industria, los termopares se utilizan ampliamente. Se utiliza en aplicaciones como el cálculo de la temperatura del horno, las emisiones de las turbinas de gas, los motores diesel y otros procesos industriales.
La ecuación matemática de un termopar es
Termopila
Un termopar es un dispositivo electrónico que convierte la energía eléctrica en energía térmica y normalmente se construye utilizando una combinación de termopar en serie.
En comparación con un solo termopar, la termopila produce una mayor salida de voltaje. Dispone de un conjunto de termopares dispuestos para medir pequeñas cantidades de calor radiante.
Además, la termopila es un dispositivo sensor de temperatura sin contacto que utiliza radiación infrarroja junto con el sistema de absorción de infrarrojos para medir la temperatura. Mientras que el termopar es un sensor de temperatura por contacto.
Consiste en barras alternas de antimonio y bismuto, o dos metales con diferentes capacidades de conducción de calor. Está conectado con un galvanómetro estático que, cuando se expone al calor, se ve afectado de manera muy sensible por la corriente eléctrica inducida en el sistema de barras.
La termopila es más grande y gruesa en comparación con un termopar. Tiene una salida de voltaje que es más alta en comparación con el termopar y es del orden de decenas o cientos de mV. Básicamente es un sensor que convierte la energía térmica en energía eléctrica.
Las termopilas también se utilizan para la generación de calor a partir de componentes eléctricos como el viento solar, materiales radiactivos, radiación láser o combustión para producir energía eléctrica.
La termopila con N termopares genera una tensión N veces mayor que la producida por un solo termopar, aumentando la sensibilidad del transductor.
Las termopilas no reaccionan a la temperatura absoluta, pero producen una salida de voltaje proporcional a la diferencia de temperatura o al gradiente de temperatura.
Esto se puede ver en los termómetros infrarrojos que se utilizan ampliamente para medir la temperatura. También se utilizan ampliamente en sensores de flujo de calor y pirheliómetros y controles de seguridad de quemadores de gas.
La ecuación matemática de una termopila es
Sensor de termopila
El dispositivo sensor que utiliza la detección de temperatura sin contacto con la ayuda de más de un termopar se conoce como sensor de termopila. Tiene más salida de voltaje que el dispositivo sensor de termopar convencional.
Utiliza el concepto de absorción de radiación infrarroja del objeto que se mide. La salida eléctrica del sensor de termopila es proporcional a su temperatura. Por lo tanto, se conoce como transductor termoeléctrico.
Funcionamiento del sensor de infrarrojos de termopila
Un sensor de infrarrojos (IR) de termopila tiene muchos termopares conectados en serie con uniones «calientes» unidas a un absorbente de infrarrojos muy delgado. Una membrana micromecanizada en un chip de silicio es normalmente un absorbente.
La temperatura del absorbedor aumenta o disminuye debido a la diferencia de temperatura entre el absorbedor y el material. El intercambio de radiación infrarroja entre el objetivo y el absorbedor depende de esto.
Para calcular la temperatura del objeto, se debe calcular que el objeto llena completamente el campo de visión del sensor.
Esto aseguraría que solo del objeto de interés y no de su fondo provenga la radiación infrarroja.
El uso de componentes de lentes y filtros mejorará en gran medida el rendimiento de los sensores de termopila. Un filtro delante de la termopila, por lo tanto, asegura que solo la
radiación IR deseada llegue al absorbedor. Protege la estructura de la termopila de la contaminación por suciedad o gases.
El silicio se usa ampliamente como lente de micro-máquina. Esto se debe a que el silicio es completamente opaco a la luz visible, pero es transparente a longitudes de onda superiores a 2 μm.
Por lo tanto, los sensores de termopila están diseñados para medir la temperatura del objeto (en movimiento o fijo) a distancia detectando la emisión de energía infrarroja del objeto.
Aplicaciones de las termopilas
Las aplicaciones de las termopilas incluyen:
- Medición de temperatura sin contacto en el campo del proceso
- Cálculo portátil de temperatura sin contacto
- Línea térmica del escáner
- HVAC de naves industriales y monitorización de iluminación
- Presencia humana e identificación para protección.
- Detección de hielo negro y alerta temprana
- Monitoreo de glucosa en sangre
- Energía automática sobre HVAC
- Detección de incendios en túneles de tránsito
- Detección de llamas e incendios para aeronaves
- Análisis de gases de escape automáticos
¿Cómo probar termopilas?
Las chimeneas de gas de milivoltios tienen una luz piloto que calienta un sensor, generalmente un termopar o termopila.
La termopila y el termopar generan electricidad cuando se les aplica calor. Esta pequeña cantidad de voltaje se envía al interruptor de pared.
Cuando el interruptor está encendido, enviará ese voltaje de regreso a la chimenea y le indicará a la chimenea que encienda la llama.
Después de un tiempo, las conexiones pueden oxidarse, corroerse o romperse dentro del interruptor, lo que permite que el interruptor pierda este voltaje.
Por lo tanto, no es suficiente enviar una señal a la chimenea para que se encienda en el momento en que la pequeña cantidad de voltaje se envíe de regreso a la chimenea.
Después de descartar el interruptor de pared defectuoso y los problemas de la llama del piloto defectuosa, debemos verificar la termopila.
Cuando se calienta con la llama del piloto, la termopila producirá un voltaje similar a un termopar. Mediante el uso de un multímetro digital , podemos medir el voltaje que emite la termopila.
Tomaremos el ejemplo de una chimenea donde debe verificar el estado de una termopila. Se utiliza un multímetro para probar los cables de la termopila.
Están conectados a la válvula de control de gas, por lo que lo primero que debemos hacer es ubicar la válvula.
Generalmente, la válvula de control principal generalmente se encuentra debajo de la parrilla inferior de la chimenea.
Debajo de la válvula de control principal, se encontrará el sensor de termopila. Tendrá un cable que va desde el conjunto del piloto hasta la válvula de control principal.
Consiste en dos alambres que generalmente tienen una funda de metal que protege los alambres. El extremo del cable de la termopila se ramifica en dos conductores, generalmente en colores rojo y blanco.
Los cables de la termopila se conectarán a la válvula principal. Podemos probar el voltaje usando un multímetro digital en el ajuste de milivoltios de CC en los terminales a los que está conectada la termopila. La configuración de CC dirá «CC» en su medidor o un símbolo.
