Fundamentos de la Medición de Temperatura con Termopares

Los termopares son dispositivos esenciales para la medición de temperatura en la industria y la investigación. Basados en la termoelectricidad, generan un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre dos metales unidos. Se clasifican por tipo, precisión y composición de aleación, y operan según leyes termoeléctricas fundamentales. Su calibración y medición requieren instrumentos específicos como potenciómetros y el puente de Wheatstone, y pueden incluir protecciones como termopozos y cabezas de termopar para entornos hostiles.

Fundamentos de la Medición de Temperatura con Termopares

La medición de temperatura es esencial en numerosos procesos industriales y de investigación. Los termopares, que son dispositivos basados en el principio de la termoelectricidad, se utilizan comúnmente para esta tarea. Están formados por la unión de dos metales diferentes que, al ser sometidos a una diferencia de temperatura, generan un voltaje que es proporcional a dicha diferencia. Existen varios tipos de termopares, designados con letras como T, J, E, K, R, S y B, cada uno con un rango de temperatura específico y adecuado para distintos ambientes. Por ejemplo, el termopar tipo T es óptimo para temperaturas de -200 a 350°C en ambientes oxidantes o reductores, mientras que el tipo B es adecuado para temperaturas de 0 a 1,700°C en condiciones inertes o de vacío.

Termopar industrial con cables rojo y azul en primer plano, punta metálica en material no identificado y dispositivo de medición digital desenfocado al fondo.

Clasificación y Características de los Termopares

Los termopares se clasifican en categorías basadas en su precisión y composición de aleación. Las clases de precisión, como la Clase I (estándar) y la Clase II (especial), indican la tolerancia de error permitida en las mediciones. Los termopares también se diferencian por el material de los que están hechos, y se presentan en forma de alambres con un código de colores ANSI para su fácil identificación y conexión. Para su uso en entornos hostiles, los termopares pueden estar equipados con termopozos, que los protegen de la corrosión y otros daños, y cabezas de termopar, que proporcionan una conexión segura y protegida para el cableado.

Principios Físicos en la Operación de Termopares

Los termopares funcionan gracias a efectos termoeléctricos fundamentales descubiertos por pioneros como Seebeck, Peltier y Thomson. El efecto Seebeck, observado en 1821, se refiere a la generación de una corriente eléctrica en un circuito compuesto por dos metales diferentes cuando sus uniones están a distintas temperaturas. El efecto Peltier, descubierto en 1834, implica la transferencia de calor que ocurre cuando una corriente eléctrica atraviesa la unión de dos metales distintos. El efecto Thomson, identificado en 1851, describe la absorción o emisión de calor en un material conductor cuando una corriente eléctrica fluye a través de él, dependiendo de la dirección del flujo y el gradiente de temperatura.

Leyes Fundamentales de los Termopares

Los termopares operan siguiendo leyes fundamentales que describen su comportamiento termoeléctrico. La ley de los circuitos homogéneos afirma que un circuito compuesto por un solo metal, incluso si está sometido a un gradiente de temperatura, no generará una fuerza electromotriz (fem). La ley de los metales intermedios sostiene que la fem total en un circuito termoeléctrico es independiente de los metales intermedios, siempre que todas las uniones estén a la misma temperatura. La ley de las temperaturas sucesivas o intermedias establece que la fem en un termopar con uniones a distintas temperaturas es igual a la suma algebraica de las fems generadas entre cada par de temperaturas sucesivas.

Uso de Potenciómetros y Puente de Wheatstone en la Medición con Termopares

Para determinar la fem generada por un termopar, se emplean instrumentos como potenciómetros y el puente de Wheatstone. Un potenciómetro es un dispositivo que permite medir la fem ajustando la resistencia hasta que se equilibra con la fem del termopar. En la industria, se utiliza para calibrar instrumentos de medición de temperatura, como pirómetros, y para verificar la precisión de los termopares. El puente de Wheatstone, por su parte, es un circuito que permite medir resistencias desconocidas equilibrando dos ramas de un circuito que contiene cuatro resistencias, dos conocidas y dos desconocidas.

Procedimiento de Calibración y Medición con Termopares

La calibración de termopares implica ajustar la fem de referencia a la salida de un estándar conocido, como una celda patrón. Para compensar la temperatura de la junta fría, se añaden o restan milivoltios (mV) correspondientes a la temperatura ambiente si el instrumento no posee compensación automática. Si el instrumento cuenta con compensación, se siguen las instrucciones del fabricante. Durante la medición, se conecta la fuente de mV, se ajustan los selectores y escalas del instrumento, y se lee la fem en la escala correspondiente para convertirla en temperatura, teniendo en cuenta la compensación de la junta fría.

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Un termopar tipo ______ es ideal para medir temperaturas de -200 a 350°C, y el tipo ______ es adecuado hasta 1,700°C.