Par termoeléctrico

Termopar conectado a un multimetro que muestra temperatura ambiente en °C

Un termopar, también conocido como "termómetro termoeléctrico", es un dispositivo eléctrico que consta de dos conductores eléctricos diferentes que forman una unión eléctrica. Un termopar produce un voltaje dependiente de la temperatura como resultado del efecto Seebeck, y este voltaje se puede interpretar para medir la temperatura. Los termopares se utilizan ampliamente como sensores de temperatura.

Los termopares comerciales son económicos, intercambiables, se suministran con conectores estándar y pueden medir una amplia gama de temperaturas. A diferencia de la mayoría de los otros métodos de medición de temperatura, los termopares son autoalimentados y no requieren ninguna forma externa de excitación. La principal limitación de los termopares es la precisión; Los errores del sistema de menos de un grado Celsius (°C) pueden ser difíciles de lograr.

Los termopares se utilizan ampliamente en la ciencia y la industria. Las aplicaciones incluyen la medición de temperatura para hornos, gases de escape de turbinas de gas, motores diésel y otros procesos industriales. Los termopares también se utilizan en hogares, oficinas y negocios como sensores de temperatura en termostatos y también como sensores de llama en dispositivos de seguridad para aparatos que funcionan con gas.

Principio de funcionamiento

En 1821, el físico alemán Thomas Johann Seebeck descubrió que una aguja magnética colocada cerca de un circuito formado por dos metales diferentes se desviaba cuando se calentaba una de las uniones de metales diferentes. En ese momento, Seebeck se refirió a esta consecuencia como termomagnetismo. Más tarde se demostró que el campo magnético que observó se debía a una corriente termoeléctrica. En el uso práctico, el voltaje generado en una sola unión de dos tipos diferentes de cable es lo que interesa, ya que se puede usar para medir la temperatura a temperaturas muy altas y bajas. La magnitud del voltaje depende de los tipos de cable que se utilicen. Generalmente, el voltaje está en el rango de microvoltios y se debe tener cuidado para obtener una medida utilizable. Aunque fluye muy poca corriente, la energía puede ser generada por una sola unión de termopar. La generación de energía usando múltiples termopares, como en una termopila, es común.

Termopar tipo K (cromo-alumel) en la configuración de medición de termopar estándar. El voltaje medido V{displaystyle scriptstyle V} se puede utilizar para calcular la temperatura Tsense{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {sense}}, siempre que la temperatura Tref{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref}} es conocido.

La configuración estándar para el uso de termopares se muestra en la figura. Brevemente, la temperatura deseada T_sentido se obtiene utilizando tres entradas: la función característica E(T) del termopar, el voltaje medido V y las uniones de referencia' temperatura T_ref. La solución a la ecuación E(T_sentido) = V + E(T_ref) produce T_sentido. Estos detalles suelen estar ocultos para el usuario, ya que el bloque de unión de referencia (con termómetro T_ref), el voltímetro y el solucionador de ecuaciones se combinan en un solo producto.

Efecto Seebeck

El efecto Seebeck se refiere al desarrollo de una fuerza electromotiva en dos puntos de un material de conducción eléctrica cuando hay una diferencia de temperatura entre esos dos puntos. Bajo condiciones de circuito abierto donde no hay flujo interno de corriente, el gradiente de tensión (Silencio Silencio V{displaystyle scriptstyle {boldsymbol {nabla}V}) es directamente proporcional al gradiente en temperatura (Silencio Silencio T{displaystyle scriptstyle {boldsymbol {nabla }T}):

Silencio Silencio V=− − S()T)Silencio Silencio T,{displaystyle {boldsymbol {nabla }V=-S(T){boldsymbol {nabla }T,}

Donde S()T){displaystyle S(T)} es una propiedad material dependiente de la temperatura conocida como el coeficiente Seebeck.

La configuración de medición estándar que se muestra en la figura muestra cuatro regiones de temperatura y, por lo tanto, cuatro contribuciones de voltaje:

1. Cambio Tmeter{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {meter}} a Tref{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref}}En el cable de cobre inferior.
2. Cambio Tref{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref}} a Tsense{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {sense}}En el alambre de torpes.
3. Cambio Tsense{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {sense}} a Tref{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref}}En el alambre de cromo.
4. Cambio Tref{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref}} a Tmeter{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {meter}}En el cable superior de cobre.

Las contribuciones primera y cuarta cancelan exactamente, porque estas regiones implican el mismo cambio de temperatura y un material idéntico. Como resultado, Tmeter{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {meter}} no influye en el voltaje medido. Las contribuciones segunda y tercera no cancelan, ya que implican diferentes materiales.

El voltaje medido resulta ser

V=∫ ∫ TrefTsense()S+()T)− − S− − ()T))dT,{displaystyle V=int ¿Qué? }{T_{mathrm {sense}}left(S_{+}(T)-S_{-}(T)right),dT,}

Donde S+{displaystyle scriptstyle S_{+} y S− − {displaystyle scriptstyle S_{-} son los coeficientes Seebeck de los conductores adjuntos a los terminales positivos y negativos del voltímetro, respectivamente (crom y alumel en la figura).

Función característica

El comportamiento del termopar es capturado por un función característica E()T){displaystyle scriptstyle E(T)}, que sólo debe ser consultado en dos argumentos:

V=E()Tsense)− − E()Tref).{displaystyle V=E(T_{mathrm {sense})-E(T_{mathrm {ref}).}

En términos de los coeficientes de Seebeck, la función característica se define por

E()T)=∫ ∫ TS+()T.)− − S− − ()T.)dT.+const{displaystyle E(T)=int ^{T}S_{+}(T')-S_{-}(T')dT'+mathrm {const}

La constante integración en esta integral indefinida no tiene importancia, pero es elegida convencionalmente tal que E()0∘ ∘ C)=0{displaystyle scriptstyle E(0,{}{circ }{rm {}=0}.

Los fabricantes de termopares y las organizaciones de estándares de metrología como NIST proporcionan tablas de la función E()T){displaystyle scriptstyle E(T)} que se han medido e interpolado sobre una gama de temperaturas, para tipos de termopar particular (ver Enlaces externos sección para el acceso a estos cuadros).

Unión de referencia

Bloque de unión de referencia dentro de un medidor de temperatura Fluke CNX t3000. Dos alambres blancos se conectan a un termistor (embedded in white térmica compound) para medir la temperatura de las uniones de referencia.

Para obtener la medición deseada Tsense{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {sense}}, no es suficiente para medir V{displaystyle scriptstyle V}. La temperatura en las uniones de referencia Tref{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref}} debe ser ya conocido. A menudo se utilizan dos estrategias:

• Metodología de baño de hielo: El bloque de unión de referencia está inmerso en un baño semi-congelado de agua destilada a presión atmosférica. La temperatura exacta de la transición de fase de punto de fusión actúa como termostato natural, fijación Tref{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref}} a 0 °C.
• Sensor de unión de referencia (conocido como "indemnización por la unión fría" El bloque de unión de referencia se permite variar en temperatura, pero la temperatura se mide a este bloque utilizando un sensor de temperatura separado. Esta medición secundaria se utiliza para compensar la variación de temperatura en el bloque de unión. La unión termopar suele estar expuesta a entornos extremos, mientras que la unión de referencia se monta a menudo cerca de la ubicación del instrumento. Los dispositivos termómetros semiconductores se utilizan a menudo en instrumentos modernos de termopar.

En ambos casos el valor V+E()Tref){displaystyle scriptstyle V+E(T_{mathrm {ref})} se calcula, luego la función E()T){displaystyle scriptstyle E(T)} es buscado por un valor coincidente. El argumento donde se produce este partido es el valor de Tsense{displaystyle scriptstyle T_{mathrm {sense}}:

E()Tsense)=V+E()Tref){displaystyle E(T_{mathrm {sense})=V+E(T_{mathrm {ref})}.

Preocupaciones prácticas

Los termopares idealmente deben ser dispositivos de medición muy simples, con cada tipo que se caracteriza por un preciso E()T){displaystyle scriptstyle E(T)} curva, independiente de cualquier otro detalle. En realidad, los termopares se ven afectados por problemas como las incertidumbres de fabricación de aleación, efectos de envejecimiento y errores de diseño de circuitos/entendidos.

Construcción de circuitos

Un error común en la construcción de termopar está relacionado con la compensación de unión fría. Si se comete un error sobre la estimación Tref{displaystyle T_{mathrm {ref}, aparecerá un error en la medición de temperatura. Para las mediciones más simples, los alambres termopar se conectan al cobre lejos del punto caliente o frío cuya temperatura se mide; esta unión de referencia se supone que está a temperatura ambiente, pero esa temperatura puede variar. Debido a la no linealidad en la curva de tensión termopar, los errores en Tref{displaystyle T_{mathrm {ref} y Tsense{displaystyle T_{mathrm {sense} son valores generalmente desiguales. Algunos termopares, como el tipo B, tienen una curva de tensión relativamente plana cerca de la temperatura ambiente, lo que significa que una gran incertidumbre en una temperatura ambiente Tref{displaystyle T_{mathrm {ref} traduce a un pequeño error en Tsense{displaystyle T_{mathrm {sense}.

Las uniones deben realizarse de manera confiable, pero existen muchos enfoques posibles para lograrlo. Para bajas temperaturas, las uniones se pueden soldar o soldar; sin embargo, puede ser difícil encontrar un fundente adecuado y es posible que no sea adecuado en la unión de detección debido al bajo punto de fusión de la soldadura. Por lo tanto, las uniones de referencia y extensión generalmente se realizan con bloques de terminales de tornillos. Para altas temperaturas, el enfoque más común es la soldadura por puntos o el engaste con un material duradero.

Un mito común con respecto a los termopares es que las uniones se deben hacer limpiamente sin involucrar un tercer metal, para evitar campos electromagnéticos agregados no deseados. Esto puede deberse a otro malentendido común de que el voltaje se genera en la unión. De hecho, las uniones deberían, en principio, tener una temperatura interna uniforme; por lo tanto, no se genera voltaje en la unión. El voltaje se genera en el gradiente térmico, a lo largo del cable.

Un termopar produce señales pequeñas, a menudo de microvoltios en magnitud. Las mediciones precisas de esta señal requieren un amplificador con voltaje de compensación de entrada bajo y con cuidado para evitar que los campos electromagnéticos térmicos se autocalienten dentro del propio voltímetro. Si el cable del termopar tiene una alta resistencia por alguna razón (mal contacto en las uniones o se usan cables muy delgados para una respuesta térmica rápida), el instrumento de medición debe tener una alta impedancia de entrada para evitar una compensación en el voltaje medido. Una función útil en la instrumentación de termopares medirá simultáneamente la resistencia y detectará conexiones defectuosas en el cableado o en las uniones de termopares.

Calidades metalúrgicas

Mientras que un tipo de alambre termopar se describe a menudo por su composición química, el objetivo real es producir un par de cables que siguen un estándarizado E()T){displaystyle scriptstyle E(T)} curva.

Las impurezas afectan a cada lote de metal de manera diferente, produciendo coeficientes de Seebeck variables. Para igualar el comportamiento estándar, los fabricantes de cables de termopar mezclarán deliberadamente impurezas adicionales para "dope" la aleación, compensando las variaciones incontroladas en el material de origen. Como resultado, existen grados estándar y especializados de alambre de termopar, según el nivel de precisión exigido en el comportamiento del termopar. Los grados de precisión solo pueden estar disponibles en pares combinados, donde un cable se modifica para compensar las deficiencias en el otro cable.

Un caso especial de alambre termopar se conoce como "grado de la extensión", diseñado para llevar el circuito termoeléctrico a una distancia más larga. Los alambres de extensión siguen el E()T){displaystyle scriptstyle E(T)} curva pero por varias razones no están diseñados para ser utilizados en ambientes extremos y por lo tanto no pueden ser utilizados en la unión de detección en algunas aplicaciones. Por ejemplo, un cable de extensión puede estar en una forma diferente, como altamente flexible con construcción hebrada y aislamiento plástico, o ser parte de un cable de varios hilos para llevar muchos circuitos de termopar. Con termopares de metal noble caros, los alambres de extensión pueden incluso estar hechos de un material completamente diferente, más barato que imita el tipo estándar sobre un rango de temperatura reducido.

Envejecimiento

Los termopares se utilizan a menudo a altas temperaturas y en atmósferas de hornos reactivos. En este caso, la vida útil práctica está limitada por el envejecimiento del termopar. Los coeficientes termoeléctricos de los cables en un termopar que se utiliza para medir temperaturas muy altas pueden cambiar con el tiempo y, en consecuencia, el voltaje de medición cae. La relación simple entre la diferencia de temperatura de las uniones y el voltaje de medición solo es correcta si cada cable es homogéneo (de composición uniforme). A medida que los termopares envejecen en un proceso, sus conductores pueden perder homogeneidad debido a cambios químicos y metalúrgicos provocados por la exposición extrema o prolongada a altas temperaturas. Si la sección envejecida del circuito del termopar se expone a un gradiente de temperatura, el voltaje medido diferirá y se producirá un error.

Los termopares envejecidos solo se modifican parcialmente; por ejemplo, no verse afectado en las partes exteriores al horno. Por esta razón, los termopares envejecidos no pueden sacarse de su ubicación instalada y recalibrarse en un baño o en un horno de prueba para determinar el error. Esto también explica por qué a veces se puede observar un error cuando un termopar envejecido se saca parcialmente de un horno; a medida que se retira el sensor, las secciones envejecidas pueden verse expuestas a mayores gradientes de temperatura de caliente a frío a medida que la sección envejecida ahora pasa por el enfriador. área refractaria, lo que contribuye a un error significativo en la medición. Del mismo modo, un termopar envejecido que se empuja más profundamente en el horno a veces puede proporcionar una lectura más precisa si se empuja más dentro del horno y hace que el gradiente de temperatura ocurra solo en una sección nueva.

Tipos

Ciertas combinaciones de aleaciones se han vuelto populares como estándares de la industria. La selección de la combinación es impulsada por coste, disponibilidad, comodidad, punto de fusión, propiedades químicas, estabilidad y salida. Los diferentes tipos son más adecuados para diferentes aplicaciones. Por lo general se seleccionan sobre la base del rango de temperatura y la sensibilidad necesaria. Los termopares con baja sensibilidad (B, R y S) tienen resoluciones correspondientemente inferiores. Otros criterios de selección incluyen la inercia química del material termopar y si es magnética o no. Los tipos de termopar estándar se enumeran a continuación con el electrodo positivo (asumiendo T_{text{ref}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Tsentido■Tref{displaystyle ¿Qué?T_{text{ref}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/debc75eda3dd05ccce2caf83939988b14b899e79" style="vertical-align: -0.671ex; width:11.826ex; height:2.509ex;"/>) primero, seguido por el electrodo negativo.

Termopares de aleación de níquel

Funciones características para los termopares que alcanzan temperaturas intermedias, cubiertas por los tipos de termopar de níquel-aleación E, J, K, M, N, T. También se muestra el tipo de aleación noble-metal P y las combinaciones puras noble-metal oro-platino y platino-palladio.

Tipo E

El tipo E (cromel-constantano) tiene un alto rendimiento (68 µV/°C), lo que lo hace ideal para uso criogénico. Además, no es magnético. El amplio rango es de −270 °C a +740 °C y el rango estrecho es de −110 °C a +140 °C.

Tipo J

El tipo J (hierro-constantán) tiene un rango más restringido (−40 °C a +750 °C) que el tipo K, pero una sensibilidad más alta de alrededor de 50 µV/°C. El punto de Curie del hierro (770 °C) provoca un cambio suave en la característica, lo que determina el límite superior de temperatura. Tenga en cuenta que el Tipo L europeo/alemán es una variante del tipo J, con una especificación diferente para la salida EMF (referencia DIN 43712:1985-01).

Tipo K

El tipo K (cromel-alumel) es el termopar de uso general más común con una sensibilidad de aproximadamente 41 µV/°C. Es económico y hay disponible una amplia variedad de sondas en su rango de −200 °C a +1350 °C (−330 °F a +2460 °F). El tipo K se especificó en un momento en que la metalurgia estaba menos avanzada que en la actualidad y, en consecuencia, las características pueden variar considerablemente entre las muestras. Uno de los metales constituyentes, el níquel, es magnético; Una característica de los termopares fabricados con material magnético es que sufren una desviación en la salida cuando el material alcanza su punto de Curie, lo que ocurre para los termopares tipo K alrededor de los 185 °C.

Funcionan muy bien en atmósferas oxidantes. Sin embargo, si una atmósfera principalmente reductora (como hidrógeno con una pequeña cantidad de oxígeno) entra en contacto con los alambres, el cromo en la aleación de cromel se oxida. Esto reduce la salida de fem y el termopar lee bajo. Este fenómeno se conoce como podredumbre verde, debido al color de la aleación afectada. Aunque no siempre tiene un color verde distintivo, el alambre de cromo desarrollará una piel plateada moteada y se volverá magnético. Una manera fácil de verificar este problema es ver si los dos cables son magnéticos (normalmente, Chromel no es magnético).

El hidrógeno en la atmósfera es la causa habitual de la podredumbre verde. A altas temperaturas, puede difundirse a través de metales sólidos o un termopozo de metal intacto. Incluso una capa de óxido de magnesio que aísle el termopar no impedirá la entrada del hidrógeno.

La podredumbre verde no ocurre en atmósferas suficientemente ricas en oxígeno o libres de oxígeno. Un termopozo sellado se puede llenar con gas inerte o se puede agregar un eliminador de oxígeno (por ejemplo, un alambre de titanio de sacrificio). Alternativamente, se puede introducir oxígeno adicional en el termopozo. Otra opción es usar un tipo de termopar diferente para las atmósferas con poco oxígeno donde puede ocurrir la pudrición verde; un termopar tipo N es una alternativa adecuada.

Tipo M

El tipo M (82 % Ni/18 % Mo–99,2 % Ni/0,8 % Co, por peso) se utiliza en hornos de vacío por las mismas razones que con el tipo C (descrito a continuación). La temperatura superior está limitada a 1400 °C. Se usa con menos frecuencia que otros tipos.

Tipo N

Los termopares de tipo N (Nicrosil–Nisil) son adecuados para su uso entre −270 °C y +1300 °C, debido a su estabilidad y resistencia a la oxidación. La sensibilidad es de unos 39 µV/°C a 900 °C, ligeramente inferior en comparación con el tipo K.

Diseñados en la Organización de Ciencia y Tecnología de Defensa (DSTO) de Australia, por Noel A. Burley, los termopares tipo N superan los tres principales tipos de características y causas de inestabilidad termoeléctrica en los materiales termoelementos de metal base estándar:

1. Una deriva gradual y generalmente acumulativa en EMF térmica en larga exposición a temperaturas elevadas. Esto se observa en todos los materiales de termoelemento base-metal y se debe principalmente a cambios compositivos causados por la oxidación, la carburación o la irradiación de neutrones que pueden producir transmutación en entornos de reactores nucleares. En el caso de los termopares tipo K, los átomos de manganeso y aluminio del alambre KN (negativo) migran al alambre KP (positivo), lo que da lugar a una deriva baja debido a la contaminación química. Este efecto es acumulativo e irreversible.
2. Un cambio cíclico a corto plazo en el EMF térmico sobre la calefacción en el rango de temperatura de unos 250-650 °C, que ocurre en termopares de tipos K, J, T y E. Este tipo de inestabilidad EMF se asocia con cambios estructurales como el orden magnético de corto alcance en la composición metalúrgica.
3. Una perturbación independiente del tiempo en el EMF térmico en rangos de temperatura específicos. Esto se debe a transformaciones magnéticas dependientes de la composición que perturben las EMF térmicas en termopares tipo-K en el rango alrededor de 25–225 °C, y en tipo J por encima de 730 °C.

Las aleaciones de termopar Nicrosil y Nisil muestran una estabilidad termoeléctrica muy mejorada en relación con las otras aleaciones de termopar de metal base estándar porque sus composiciones reducen sustancialmente las inestabilidades termoeléctricas descritas anteriormente. Esto se logra principalmente aumentando las concentraciones de solutos de los componentes (cromo y silicio) en una base de níquel por encima de las requeridas para provocar una transición de los modos de oxidación internos a externos, y seleccionando solutos (silicio y magnesio) que se oxidan preferentemente para formar una difusión. -películas barrera y, por tanto, inhibidoras de la oxidación.

Los termopares tipo N son una alternativa adecuada al tipo K para condiciones de poco oxígeno donde el tipo K es propenso a la pudrición verde. Son adecuados para su uso en vacío, atmósferas inertes, atmósferas oxidantes o atmósferas reductoras secas. No toleran la presencia de azufre.

Tipo T

Los termopares tipo T (cobre-constantán) son adecuados para mediciones en el rango de −200 a 350 °C. A menudo se utiliza como medida diferencial, ya que solo el cable de cobre toca las sondas. Dado que ambos conductores no son magnéticos, no hay punto de Curie y, por lo tanto, no hay cambios bruscos en las características. Los termopares tipo T tienen una sensibilidad de aproximadamente 43 µV/°C. Tenga en cuenta que el cobre tiene una conductividad térmica mucho más alta que las aleaciones generalmente utilizadas en las construcciones de termopares, por lo que es necesario tener mucho cuidado con los termopares tipo T de anclaje térmico. Una composición similar se encuentra en el Tipo U obsoleto en la especificación alemana DIN 43712:1985-01.

Termopares de aleación de platino/rodio

Funciones características para los tipos de termopar de alta temperatura, mostrando termopares Pt/Rh, W/Re, Pt/Mo e Ir/Rh-alloy. También se muestra el termopar Pt-Pd pura-metal.

Los termopares tipo B, R y S usan platino o una aleación de platino/rodio para cada conductor. Estos se encuentran entre los termopares más estables, pero tienen una sensibilidad más baja que otros tipos, aproximadamente 10 µV/°C. Los termopares tipo B, R y S generalmente se usan solo para mediciones de alta temperatura debido a su alto costo y baja sensibilidad. Para termopares tipo R y S, se puede usar alambre de platino HTX en lugar de la pata de platino puro para fortalecer el termopar y evitar fallas por crecimiento de grano que pueden ocurrir en condiciones de alta temperatura y duras.

Tipo B

Los termopares de tipo B (70 % Pt/30 % Rh–94 % Pt/6 % Rh, por peso) son adecuados para su uso a temperaturas de hasta 1800 °C. Los termopares tipo B producen la misma salida a 0 °C y 42 °C, lo que limita su uso por debajo de los 50 °C. La función fem tiene un mínimo de alrededor de 21 °C, lo que significa que la compensación de unión fría se realiza fácilmente, ya que el voltaje de compensación es esencialmente una constante para una referencia a temperaturas ambiente típicas.

Tipo R

Los termopares de tipo R (87 % Pt/13 % Rh–Pt, por peso) se utilizan de 0 a 1600 °C. Los termopares tipo R son bastante estables y tienen una vida útil prolongada cuando se usan en condiciones limpias y favorables. Cuando se usan por encima de 1100 °C (2000 °F), estos termopares deben protegerse de la exposición a vapores metálicos y no metálicos. El tipo R no es adecuado para la inserción directa en tubos protectores metálicos. La exposición prolongada a altas temperaturas provoca el crecimiento del grano, lo que puede provocar fallas mecánicas y una deriva de calibración negativa causada por la difusión del rodio a la rama de platino puro, así como por la volatilización del rodio. Este tipo tiene los mismos usos que el tipo S, pero no es intercambiable con él.

Tipo S

Los termopares tipo S (90 % Pt/10 % Rh–Pt, por peso), similares al tipo R, se utilizan hasta 1600 °C. Antes de la introducción de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), los termopares tipo S de precisión se usaban como termómetros estándar prácticos para el rango de 630 °C a 1064 °C, según una interpolación entre los puntos de congelación del antimonio, plata y oro. A partir del ITS-90, las termorresistencias de platino se han hecho cargo de esta gama como termómetros estándar.

Termopares de aleación de tungsteno/renio

Estos termopares son ideales para medir temperaturas extremadamente altas. Los usos típicos son hidrógeno y atmósferas inertes, así como hornos de vacío. No se utilizan en ambientes oxidantes a altas temperaturas debido a la fragilización. Un rango típico es de 0 a 2315 °C, que se puede extender a 2760 °C en atmósfera inerte y a 3000 °C para mediciones breves.

El tungsteno puro a altas temperaturas se recristaliza y se vuelve quebradizo. Por lo tanto, los tipos C y D son preferibles al tipo G en algunas aplicaciones.

En presencia de vapor de agua a alta temperatura, el tungsteno reacciona con el óxido de tungsteno, que se volatiliza, y con el hidrógeno. Luego, el hidrógeno reacciona con el óxido de tungsteno y se vuelve a formar agua. Tal "ciclo del agua" puede conducir a la erosión del termopar y una eventual falla. En aplicaciones de vacío a alta temperatura, por lo tanto, es deseable evitar la presencia de trazas de agua.

Una alternativa al tungsteno/renio es el tungsteno/molibdeno, pero la respuesta voltaje-temperatura es más débil y tiene un mínimo de alrededor de 1000 K.

La temperatura del termopar también está limitada por otros materiales utilizados. Por ejemplo, el óxido de berilio, un material popular para aplicaciones de alta temperatura, tiende a ganar conductividad con la temperatura; una configuración particular de sensor hizo que la resistencia de aislamiento cayera de un megaohmio a 1000 K a 200 ohmios a 2200 K. A altas temperaturas, los materiales experimentan una reacción química. A 2700 K, el óxido de berilio reacciona ligeramente con el tungsteno, la aleación de tungsteno y renio y el tántalo; a 2600 K, el molibdeno reacciona con BeO, el tungsteno no reacciona. El BeO comienza a fundirse alrededor de los 2820 K, el óxido de magnesio alrededor de los 3020 K.

Tipo C

(95 % W/5 % Re–74 % W/26 % Re, por peso) la temperatura máxima que medirá el termopar tipo c es de 2329 ℃.

Tipo D

(97 %W/3 %Re–75 %W/25 %Re, por peso)

Tipo G

(W–74 %W/26 %Re, por peso)

Otros

Termopares de cromo-oro/aleación de hierro

Características termopar a bajas temperaturas. El termopar basado en AuFe muestra una sensibilidad constante a bajas temperaturas, mientras que los tipos convencionales pronto se aplanan y pierden sensibilidad a baja temperatura.

En estos termopares (aleación de cromo-oro/hierro), el cable negativo es oro con una pequeña fracción (0,03-0,15 por ciento atómico) de hierro. El alambre de oro impuro le da al termopar una alta sensibilidad a bajas temperaturas (en comparación con otros termopares a esa temperatura), mientras que el alambre de cromo mantiene la sensibilidad cerca de la temperatura ambiente. Se puede utilizar para aplicaciones criogénicas (1,2–300 K e incluso hasta 600 K). Tanto la sensibilidad como el rango de temperatura dependen de la concentración de hierro. La sensibilidad suele rondar los 15 µV/K a bajas temperaturas, y la temperatura más baja utilizable varía entre 1,2 y 4,2 K.

Tipo P (aleación de metales nobles) o "Platinel II"

Los termopares de tipo P (55 % Pd/31 % Pt/14 % Au–65 % Au/35 % Pd, por peso) proporcionan un voltaje termoeléctrico que imita el tipo K en el rango de 500 °C a 1400 °C, sin embargo, están construidos exclusivamente con metales nobles y, por lo tanto, muestran una mayor resistencia a la corrosión. Esta combinación también se conoce como Platinel II.

Termopares de aleación de platino/molibdeno

Los termopares de aleación de platino/molibdeno (95 % Pt/5 % Mo–99,9 % Pt/0,1 % Mo, en peso) se utilizan a veces en reactores nucleares, ya que muestran una baja deriva de la transmutación nuclear inducida por la irradiación de neutrones., en comparación con los tipos de aleación de platino/rodio.

Termopares de aleación de iridio/rodio

El uso de dos hilos de aleaciones de iridio/rodio puede proporcionar un termopar que se puede utilizar hasta aproximadamente 2000 °C en atmósferas inertes.

Termopares de metales nobles puros Au–Pt, Pt–Pd

Los termopares hechos de dos metales nobles diferentes de alta pureza pueden mostrar una alta precisión incluso cuando no están calibrados, así como bajos niveles de desviación. Dos combinaciones en uso son oro-platino y platino-paladio. Sus principales limitaciones son los bajos puntos de fusión de los metales involucrados (1064 °C para el oro y 1555 °C para el paladio). Estos termopares tienden a ser más precisos que los de tipo S y, debido a su economía y simplicidad, incluso se consideran alternativas competitivas a los termómetros de resistencia de platino que normalmente se utilizan como termómetros estándar.

Termopares HTIR-TC (resistentes a la radiación a alta temperatura)

HTIR-TC ofrece un gran avance en la medición de procesos de alta temperatura. Sus características son: duradero y fiable a altas temperaturas, hasta al menos 1700 °C; resistente a la irradiación; moderadamente valorado; disponible en una variedad de configuraciones - adaptable a cada aplicación; fácil de instalar. Originalmente desarrollado para su uso en reactores de prueba nuclear, HTIR-TC puede mejorar la seguridad de las operaciones en futuros reactores. Este termopar fue desarrollado por investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho (INL).

Comparación de tipos

La siguiente tabla describe las propiedades de varios tipos diferentes de termopares. Dentro de las columnas de tolerancia, T representa la temperatura de la unión caliente, en grados Celsius. Por ejemplo, un termopar con una tolerancia de ±0,0025×T tendría una tolerancia de ±2,5 °C a 1000 °C. Cada celda en las columnas del código de color representa el extremo de un cable de termopar, mostrando el color de la funda y el color de los conductores individuales. El color de fondo representa el color del cuerpo del conector.

Tipo	Rango de temperatura (°C)				Clase de tolerancia (°C)		Código de color
	Continua		A corto plazo		Uno	Dos.	IEC	BS	ANSI
	Baja	Alto	Baja	Alto
K	0	+1100	180−	+1370	±1.5 375 – 1000: ±0.004×T	±2.5 333 – 1200: ±0.0075×T
J	0	+750	180−	+800	±1.5 375 – 750: ±0.004×T	±2.5 333 – 750: ±0.0075×T
N	0	+1100	−270	+1300	±1.5 375 – 1000: ±0.004×T	±2.5 333 – 1200: ±0.0075×T
R	0	+1600	,50 - 50	+1700	0 – 1100: ±1.0 1100 – 1600: ±0,003×(T− 767)	0 – 600: ±1,5 600 – 1600: ±0,0025×T			No definido
S	0	+1600	,50 - 50	+1750	0 – 1100: ±1.0 1100 – 1600: ±0,003×(T− 767)	0 – 600: ±1,5 600 – 1600: ±0,0025×T			No definido
B	+200	+1700	0	+1820	No disponible	600 – 1700: ±0,0025×T	No estándar	No estándar	No definido
T	−185	+300	250 -	+400	± 0,5 125 – 350: ±0,004×T	±1.0 133 – 350: ±0,0075×T
E	0	+800	−40	+900	±1.5 375 – 800: ±0.004×T	±2.5 333 – 900: ±0.0075×T
Chromel/AuFe	−272	+300	—	—	Reproducibilidad 0,2% del voltaje. Cada sensor necesita calibración individual.

Aislamiento de termopar

Típico termopar tipo K de bajo coste (con conector tipo K estándar). Mientras los alambres pueden sobrevivir y funcionar a altas temperaturas, el aislamiento plástico comenzará a descomponerse a 300 °C.

Aislamiento de cables

Los cables que componen el termopar deben estar aislados entre sí en todas partes, excepto en la unión de detección. Cualquier contacto eléctrico adicional entre los cables, o el contacto de un cable con otros objetos conductores, puede modificar el voltaje y dar una lectura falsa de temperatura.

Los plásticos son aislantes adecuados para las partes de un termopar a bajas temperaturas, mientras que el aislamiento cerámico se puede utilizar hasta unos 1000 °C. Otras preocupaciones (abrasión y resistencia química) también afectan la idoneidad de los materiales.

Cuando el aislamiento del cable se desintegra, puede provocar un contacto eléctrico no deseado en una ubicación diferente del punto de detección deseado. Si se usa un termopar dañado en el control de circuito cerrado de un termostato u otro controlador de temperatura, esto puede provocar un sobrecalentamiento descontrolado y posiblemente un daño grave, ya que la lectura de temperatura falsa generalmente será más baja que la temperatura de la unión de detección. El aislamiento fallido también suele desgasificarse, lo que puede conducir a la contaminación del proceso. Para partes de termopares usados a temperaturas muy altas o en aplicaciones sensibles a la contaminación, el único aislamiento adecuado puede ser vacío o gas inerte; la rigidez mecánica de los hilos del termopar se utiliza para mantenerlos separados.

Tiempo de reacción

La velocidad de respuesta del sistema de medición no solo depende del sistema de adquisición de datos, sino también de la construcción del sensor de termopar. Cuando el tiempo de lectura de la temperatura es de varios ms. La punta de medición del termopar está aislada o no. Sin embargo, el error de lectura en mediciones de temperatura tan extremadamente rápidas se debe al aislamiento de la punta del termopar. Incluso un sistema de adquisición económico como un convertidor o amplificador de analógico a digital Arduino y termopar puede tener una velocidad de respuesta de varios ms, pero el diseño del termopar será importante.

Termocouple sin un ejemplo de adquisición de datos de temperatura de lata caliente. Arduino usado y MAX31855K Cold-Junction Conversor de termouple-to-Digital y set ~66 Frecuencia de Hz.

Tabla de materiales aislantes

Los valores nominales de temperatura para los aislamientos pueden variar según la composición general del cable de construcción del termopar.

Nota: T300 es un nuevo material de alta temperatura aprobado recientemente por UL para temperaturas de funcionamiento de 300 °C.

Aplicaciones

Los termopares son adecuados para medir en un amplio rango de temperatura, desde −270 hasta 3000 °C (durante un período breve, en atmósfera inerte). Las aplicaciones incluyen la medición de temperatura para hornos, gases de escape de turbinas de gas, motores diésel, otros procesos industriales y máquinas de niebla. Son menos adecuados para aplicaciones en las que se deben medir diferencias de temperatura más pequeñas con alta precisión, por ejemplo, el rango de 0 a 100 °C con una precisión de 0,1 °C. Para tales aplicaciones, los termistores, los sensores de temperatura de banda prohibida de silicio y los termómetros de resistencia son más adecuados.

Industria del acero

Los termopares tipo B, S, R y K se utilizan ampliamente en las industrias del acero y el hierro para monitorear las temperaturas y la química durante todo el proceso de fabricación del acero. Los termopares desechables, sumergibles, tipo S se utilizan regularmente en el proceso de horno de arco eléctrico para medir con precisión la temperatura del acero antes del roscado. La curva de enfriamiento de una pequeña muestra de acero se puede analizar y utilizar para estimar el contenido de carbono del acero fundido.

Seguridad de los aparatos de gas

Un termopar (el tubo más derecho) dentro del conjunto de quemadores de un calentador de agua

Conexión termopar en electrodomésticos de gas. La bola final (contacto) a la izquierda está aislada del ajuste por una lavadora aislante. La línea termopar consiste en alambre de cobre, aislante y metal exterior (generalmente cobre) que también se utiliza como tierra.

Muchos aparatos de calefacción alimentados por gas, como hornos y calentadores de agua, utilizan una llama piloto para encender el quemador de gas principal cuando es necesario. Si la llama del piloto se apaga, puede liberarse gas sin quemar, lo que representa un riesgo de explosión y un peligro para la salud. Para evitar esto, algunos electrodomésticos usan un termopar en un circuito a prueba de fallas para detectar cuándo se enciende la luz piloto. La punta del termopar se coloca en la llama del piloto, generando un voltaje que opera la válvula de suministro que alimenta gas al piloto. Mientras la llama piloto permanezca encendida, el termopar permanece caliente y la válvula de gas piloto se mantiene abierta. Si la luz piloto se apaga, la temperatura del termopar cae, lo que provoca que el voltaje a través del termopar caiga y la válvula se cierre.

Donde la sonda se puede colocar fácilmente sobre la llama, a menudo se puede usar un sensor rectificador en su lugar. Con una construcción parcialmente cerámica, también pueden ser conocidos como varillas de llama, sensores de llama o electrodos de detección de llama.

Flame-igniter(top)-and-flame-sensor

Algunas válvulas combinadas de gas piloto y quemador principal (principalmente de Honeywell) reducen la demanda de energía dentro del rango de un solo termopar universal calentado por un piloto (circuito abierto de 25 mV que se reduce a la mitad con la bobina conectada a un 10–12 mV, fuente de 0,2–0,25 A, por lo general) ajustando el tamaño de la bobina para poder mantener la válvula abierta contra un resorte ligero, pero solo después de que el usuario proporcione la fuerza de encendido inicial presionando y sosteniendo una perilla para comprimir el resorte durante el encendido del piloto. Estos sistemas son identificables por el "mantener presionado durante x minutos" en las instrucciones de encendido del piloto. (El requerimiento de corriente de mantenimiento de una válvula de este tipo es mucho menor que el que requeriría un solenoide más grande diseñado para jalar la válvula desde una posición cerrada). no se puede utilizar porque introduce más resistencia que la bobina de la válvula de gas. Además de probar el voltaje de circuito abierto del termopar y la continuidad de CC de casi cortocircuito a través de la bobina de la válvula de gas del termopar, la prueba más fácil para no especialistas es la sustitución de una válvula de gas en buen estado.

Algunos sistemas, conocidos como sistemas de control de milivoltios, amplían el concepto de termopar para abrir y cerrar también la válvula de gas principal. El voltaje creado por el termopar piloto no solo activa la válvula de gas piloto, sino que también se enruta a través de un termostato para alimentar la válvula de gas principal. Aquí, se necesita un voltaje mayor que en un sistema de seguridad de llama piloto descrito anteriormente, y se usa una termopila en lugar de un solo termopar. Dicho sistema no requiere una fuente externa de electricidad para su funcionamiento y, por lo tanto, puede funcionar durante un corte de energía, siempre que todos los demás componentes del sistema relacionados lo permitan. Esto excluye los calefactores de aire forzado comunes porque se requiere energía eléctrica externa para operar el motor del ventilador, pero esta función es especialmente útil para los calentadores de convección sin energía. A veces se emplea un mecanismo de seguridad de cierre de gas similar que utiliza un termopar para garantizar que el quemador principal se encienda dentro de un cierto período de tiempo, cerrando la válvula de suministro de gas del quemador principal si eso no sucede.

Debido a la preocupación por la energía desperdiciada por la llama piloto permanente, los diseñadores de muchos electrodomésticos más nuevos han cambiado a un encendido sin piloto controlado electrónicamente, también llamado encendido intermitente. Sin llama piloto permanente, no hay riesgo de acumulación de gas si la llama se apaga, por lo que estos aparatos no necesitan interruptores de seguridad piloto basados en termopares. Como estos diseños pierden el beneficio de la operación sin una fuente continua de electricidad, todavía se usan pilotos fijos en algunos aparatos. La excepción son los modelos posteriores de calentadores de agua instantáneos (también conocidos como "sin tanque") que utilizan el flujo de agua para generar la corriente necesaria para encender el quemador de gas; estos diseños también utilizan un termopar como dispositivo de corte de seguridad en caso de que el gas no se encienda o si la llama se extingue.

Sensores de radiación termopila

Las termopilas se utilizan para medir la intensidad de la radiación incidente, normalmente luz visible o infrarroja, que calienta las uniones calientes, mientras que las uniones frías se encuentran en un disipador de calor. Es posible medir intensidades de radiación de solo unos pocos μW/cm² con sensores de termopila disponibles comercialmente. Por ejemplo, algunos medidores de potencia láser se basan en dichos sensores; estos se conocen específicamente como sensores láser de termopila.

El principio de funcionamiento de un sensor de termopila es distinto al de un bolómetro, ya que este último depende de un cambio en la resistencia.

Fabricación

Los termopares generalmente se pueden usar en la prueba de prototipos de aparatos eléctricos y mecánicos. Por ejemplo, la aparamenta bajo prueba para su capacidad de carga de corriente puede tener termopares instalados y monitoreados durante una prueba de calor, para confirmar que el aumento de temperatura a la corriente nominal no exceda los límites diseñados.

Producción de energía

Un termopar puede producir corriente para impulsar algunos procesos directamente, sin necesidad de circuitos ni fuentes de alimentación adicionales. Por ejemplo, la energía de un termopar puede activar una válvula cuando surge una diferencia de temperatura. La energía eléctrica generada por un termopar se convierte del calor que debe suministrarse al lado caliente para mantener el potencial eléctrico. Es necesaria una transferencia continua de calor porque la corriente que fluye a través del termopar tiende a hacer que el lado caliente se enfríe y el lado frío se caliente (el efecto Peltier).

Los termopares se pueden conectar en serie para formar una termopila, donde todas las uniones calientes están expuestas a una temperatura más alta y todas las uniones frías a una temperatura más baja. La salida es la suma de los voltajes a través de las uniones individuales, lo que da una mayor salida de voltaje y potencia. En un generador termoeléctrico de radioisótopos, la desintegración radiactiva de elementos transuránicos como fuente de calor se ha utilizado para impulsar naves espaciales en misiones demasiado alejadas del Sol para utilizar energía solar.

Se utilizaron termopilas calentadas con lámparas de queroseno para hacer funcionar receptores de radio sin batería en áreas aisladas. Hay linternas producidas comercialmente que utilizan el calor de una vela para hacer funcionar varios diodos emisores de luz y ventiladores termoeléctricos para mejorar la circulación del aire y la distribución del calor en las estufas de leña.

Plantas de proceso

La producción de productos químicos y las refinerías de petróleo generalmente emplean computadoras para registrar y probar los límites de las muchas temperaturas asociadas con un proceso, que normalmente suman cientos. Para tales casos, varios cables de termopar se llevarán a un bloque de referencia común (un bloque grande de cobre) que contiene el segundo termopar de cada circuito. La temperatura del bloque es a su vez medida por un termistor. Se utilizan cálculos simples para determinar la temperatura en cada ubicación medida.

Termopar como vacuómetro

Se puede usar un termopar como indicador de vacío en el rango de aproximadamente 0,001 a 1 torr de presión absoluta. En este rango de presión, el camino libre medio del gas es comparable a las dimensiones de la cámara de vacío y el régimen de flujo no es ni puramente viscoso ni puramente molecular. En esta configuración, la unión del termopar está unida al centro de un cable calefactor corto, que generalmente recibe energía de una corriente constante de aproximadamente 5 mA, y el calor se elimina a una velocidad relacionada con la conductividad térmica del gas.

La temperatura detectada en la unión del termopar depende de la conductividad térmica del gas circundante, que depende de la presión del gas. La diferencia de potencial medida por un termopar es proporcional al cuadrado de la presión en el rango de vacío bajo a medio. A presiones más altas (flujo viscoso) y más bajas (flujo molecular), la conductividad térmica del aire o de cualquier otro gas es esencialmente independiente de la presión. El termopar fue utilizado por primera vez como vacuómetro por Voege en 1906. El modelo matemático para el termopar como vacuómetro es bastante complicado, como lo explicó en detalle Van Atta, pero se puede simplificar a:

P=B()V2− − V02)V02,{fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}

donde P es la presión del gas, B es una constante que depende de la temperatura del termopar, la composición del gas y la geometría de la cámara de vacío, V₀ es el voltaje del termopar a presión cero (absoluto), y V es el voltaje indicado por el termopar.

La alternativa es el manómetro Pirani, que funciona de manera similar, aproximadamente en el mismo rango de presión, pero es solo un dispositivo de 2 terminales, que detecta el cambio en la resistencia con la temperatura de un alambre delgado calentado eléctricamente, en lugar de usar un termopar.