Los termopares son sencillos sensores de temperatura que se utilizan en la ciencia y la industria. Consisten en dos alambres de metales diferentes unidos en un solo punto o unión, que generalmente se suelda para brindar robustez y confiabilidad.
En los extremos del circuito abierto de estos cables, un termopar genera un voltaje en respuesta a la unión temperatura, resultado de un fenómeno llamado efecto Seebeck, descubierto en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck.
Tipos de termopares
Cualesquiera dos alambres de diferentes metales en contacto producirán un voltaje cuando se calientan; sin embargo, ciertas combinaciones de aleaciones son estándar debido a su nivel de rendimiento, estabilidad y características químicas.
Los más comunes son los termopares de “metal base”, fabricados con hierro o aleaciones de níquel y otros elementos, y se conocen como Tipos J, K, T, E y N, según su composición.
Los termopares de “metales nobles”, hechos de alambres de platino-rodio y platino para uso a temperaturas más altas, se conocen como tipos R, S y B. Dependiendo del tipo, los termopares pueden medir temperaturas de aproximadamente -270 grados Celsius a 1700 C o más (aproximadamente de -454 grados Fahrenheit a 3100 F o más).
Limitaciones de los termopares
Las ventajas y desventajas de los termopares dependen de la situación y es importante comprender primero sus limitaciones. La salida de un termopar es muy pequeña, por lo general solo alrededor de 0,001 voltios a temperatura ambiente, aumentando a medida que aumenta la temperatura. Cada tipo tiene su propia ecuación para convertir voltaje en temperatura. La relación no es una línea recta, por lo que estas ecuaciones son algo complejas, con muchos términos. Aun así, los termopares están limitados a precisiones de aproximadamente 1 C, o aproximadamente 2 F, en el mejor de los casos.
Para obtener un resultado calibrado, el voltaje del termopar debe compararse con un valor de referencia, que una vez fue otro termopar sumergido en un baño de agua helada. Este aparato crea una "unión fría" a 0 C, o 32 F, pero obviamente es incómodo e inconveniente. Los circuitos electrónicos modernos de referencia de puntos de hielo han reemplazado universalmente al agua helada y han permitido el uso de termopares en aplicaciones portátiles.
Debido a que los termopares requieren el contacto de dos metales diferentes, están sujetos a corrosión, lo que puede afectar su calibración y precisión. En entornos hostiles, la unión generalmente está protegida con una funda de acero, que evita que la humedad o los productos químicos dañen los cables. No obstante, el cuidado y el mantenimiento de los termopares son necesarios para un buen rendimiento a largo plazo.
Ventajas y desventajas de los termopares
Los termopares son simples, resistentes, fáciles de fabricar y relativamente económicos. Se pueden fabricar con alambre extremadamente fino para medir la temperatura de objetos diminutos como insectos. Los termopares son útiles en un rango de temperatura muy amplio y se pueden insertar en lugares difíciles como cavidades corporales o entornos abusivos como reactores nucleares.
Por todas estas ventajas, se deben considerar las desventajas de los termopares antes de aplicarlos. La salida de nivel de milivoltios requiere la complejidad adicional de una electrónica cuidadosamente diseñada, tanto para la referencia del punto de hielo como para la amplificación de la pequeña señal.
Además, la respuesta de bajo voltaje es susceptible al ruido y la interferencia de los dispositivos eléctricos circundantes. Es posible que los termopares necesiten protección con conexión a tierra para obtener buenos resultados. La precisión está limitada a aproximadamente 1 C (aproximadamente 2 F) y puede reducirse aún más por la corrosión de la unión o los cables.
Aplicaciones de termopares
Las ventajas de los termopares han propiciado su incorporación en un amplio abanico de situaciones, desde el control de hornos domésticos hasta el seguimiento de la temperatura de aviones, naves espaciales y satélites. Los hornos y autoclaves utilizan termopares, al igual que las prensas y moldes para la fabricación.
Se pueden conectar muchos termopares en serie para crear una termopila, que produce mayor voltaje en respuesta a la temperatura que un solo termopar. Las termopilas se utilizan para fabricar dispositivos sensibles para detectar radiación infrarroja. Las termopilas también pueden generar energía para sondas espaciales a partir del calor de la desintegración radiactiva en un generador termoeléctrico de radioisótopos.