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Termopares

Eduardo Mirón López
@EduardoMironLpz


Es algo común para nosotros conocer la temperatura ambiental, de hecho es algo que nos parece totalmente natural y si a cualquiera nos preguntara cómo lo sabemos, responderíamos al instante que gracias a un termómetro. Sin embargo es fácil olvidar que el termómetro, como cualquier instrumento de medida, tiene un rango de aplicación fuera del cual no sirve. Si, por ejemplo quisiéramos medir la temperatura de un acero fundido necesitaríamos algo capaz de medir en un rango superior a los 1493ºC. En este punto es donde cobra sentido el uso de termopares.

Acero fundido

Los termopares son instrumentos de medida que traducen la diferencia de temperatura entre dos puntos del espacio en una señal eléctrica. La característica que los hace especialmente útiles es que usando distintos termopares se pueden medir temperaturas entre los -200 y los 1600 ºC.

Un termopar basa su funcionamiento en que en la unión entre dos metales distintos se genera una diferencia de potencial eléctrico. Si además esa pareja está formada por unos metales determinados, el voltaje que aparece aumenta linealmente con la temperatura, dentro de un rango de  temperaturas. El concepto que hay que retener se expresa en la ecuación:

Es decir, la diferencia de temperatura es para los termopares la suma de las multiplicaciones entre el voltaje que aparece y unos coeficientes. Al ser la relación lineal, es sencillo trabajar con ello y por ello estos instrumentos son tan utilizados.

Normalmente lo que interesa es medir una temperatura absoluta, no un incremento de temperatura. Los termopares sólo miden incrementos, por lo que para medir absolutamente lo que hay que hacer es medir entre la temperatura desconocida y una controlada. Lo más sencillo es que la temperatura conocida sea 0ºC, ya que es fácil de conseguir. Simplemente basta con tener agua con hielo y aseguramos que la mezcla está a esa temperatura a presión ambiente.

Diagrama de un termopar

El fundamento físico del funcionamiento de un termopar se asienta en dos efectos: efecto Volta y efecto Seebeck. El efecto Volta es el hecho de que aparece una diferencia de tensión eléctrica entre dos cuerpos distintos cuando estos se tocan. Este voltaje es constante y depende de los materiales puestos en contacto. El efecto Seebeck es la aparición de una corriente eléctrica en el circuito formado por varios metales unidos, debido enteramente a la diferencia de temperatura entre los dos puntos de unión.

Efecto Seebeck

Si los coeficientes Seebeck SA y SB no varían con la temperatura, la ecuación se puede resumir a un sencillo V=S*?T. Esta simplificación es la que se puede hacer en el caso de los termopares, gracias a la elección de la pareja de metales.

La elección de los metales que forman un termopar se hace de forma que en cierto rango de temperaturas los coeficientes Seebeck sean constantes, de forma que el voltaje que se mida en el circuito del termopar sea una constante, descrita en el efecto Volta, más una cantidad directamente proporcional al incremento de temperatura, como predice el efecto Seebeck.

Curvas de termopares

Como en el caso de cualquier otro instrumento, hay que entender los límites de los termopares. El primero es la medida en sí. Los voltajes que deben medirse son muy pequeños, lo cual hace que la instrumentación sea delicada y requiera una buena y frecuente calibración. El segundo problema es el coste de los termopares, ya que los metales empleados son generalmente caros. El tercero es que estos instrumentos trabajan en ambientes muy hostiles, lo que hace que deban protegerse, haciéndose más caros y complejos. Por último, su resolución no es muy grande. Debido a la incertidumbre en las medidas eléctricas, es complejo y costoso tener resoluciones mejores que unos pocos grados centígrados.

Pese los inconvenientes que tienen estos instrumentos, son utilizados ampliamente en la industria debido a sus amplios márgenes de utilización, su sencillo funcionamiento y a que son económicamente muy competitivos si se les compara con métodos alternativos para medir temperaturas en los mismos rangos. También se encuentran en equipos domésticos, midiendo la temperatura de la llama de la caldera, por ejemplo.

Termopar en el quemador de un calentador de agua

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