Par termoeléctrico

El efecto Seebeck se refiere al desarrollo de una fuerza electromotriz a través de dos puntos de un material conductor de electricidad cuando existe una diferencia de temperatura entre esos dos puntos. En condiciones de circuito abierto donde no hay flujo de corriente interna, el gradiente de voltaje (${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}V}$) es directamente proporcional al gradiente de temperatura (${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}T}$):

${\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}V=-S(T){\boldsymbol {\nabla }}T,}$

dónde${\displaystyle S(T)}$es una propiedad del material que depende de la temperatura , conocida como coeficiente de Seebeck .

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

1. Cambio de${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$a${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$, en el cable de cobre inferior.
2. Cambio de${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$a${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$, en el alambre de alumel.
3. Cambio de${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$a${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$, en el alambre de cromel.
4. Cambio de${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$a${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$, en el cable de cobre superior.

La primera y la cuarta contribución se cancelan exactamente, porque estas regiones implican el mismo cambio de temperatura y un material idéntico. Como resultado,${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$no influye en el voltaje medido. La segunda y la tercera contribución no se cancelan, ya que involucran materiales diferentes.

El voltaje medido resulta ser

${\displaystyle V=\int _{T_{\mathrm {ref} }}^{T_{\mathrm {sense} }}\left(S_{+}(T)-S_{-}(T)\right)\,dT,}$

dónde${\displaystyle \scriptstyle S_{+}}$y${\displaystyle \scriptstyle S_{-}}$son los coeficientes Seebeck de los conductores conectados a los terminales positivo y negativo del voltímetro, respectivamente (cromel y alumel en la figura).

El comportamiento del termopar se describe mediante una función característica.${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$, que solo necesita ser consultado en dos argumentos:

${\displaystyle V=E(T_{\mathrm {sense} })-E(T_{\mathrm {ref} }).}$

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

${\displaystyle E(T)=\int ^{T}S_{+}(T')-S_{-}(T')dT'+\mathrm {const} }$

La constante de integración en esta integral indefinida no tiene significado, pero convencionalmente se elige de tal manera que${\displaystyle \scriptstyle E(0\,{}^{\circ }{\rm {C}})=0}$.

Los fabricantes de termopares y las organizaciones de estándares de metrología como NIST proporcionan tablas de la función${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$que se han medido e interpolado en un rango de temperaturas, para tipos particulares de termopares (consulte la sección Enlaces externos para acceder a estas tablas).

Para obtener la medida deseada de${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$No basta con medir${\displaystyle \scriptstyle V}$. La temperatura en las uniones de referencia${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$También debe conocerse. Aquí se suelen utilizar dos estrategias:

• "Baño de hielo": El bloque de unión de referencia se mantiene a una temperatura conocida mientras está sumergido en un baño semicongelado de agua destilada a presión atmosférica . La temperatura precisa de la transición de fase del punto de fusión actúa como un termostato natural , fijando${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$a 0  °C.
• sensor de unión de referencia (conocido como "Compensación de la unión fría : Se permite que la temperatura del bloque de unión de referencia varíe, pero se mide en este bloque mediante un sensor de temperatura independiente. Esta medición secundaria se utiliza para compensar la variación de temperatura en el bloque de unión. La unión del termopar suele estar expuesta a entornos extremos, mientras que la unión de referencia suele estar montada cerca de la ubicación del instrumento. En los termopares modernos se suelen utilizar termómetros semiconductores .

En ambos casos el valor${\displaystyle \scriptstyle V+E(T_{\mathrm {ref} })}$se calcula, luego la función${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$se busca un valor coincidente. El argumento donde se produce esta coincidencia es el valor de${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$:

${\displaystyle E(T_{\mathrm {sense} })=V+E(T_{\mathrm {ref} })}$.

Un error común en la construcción de termopares está relacionado con la compensación de la unión fría. Si se comete un error en la estimación de${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$, aparecerá un error en la medición de temperatura. Para las mediciones más simples, los cables del termopar se conectan a cobre lejos del punto caliente o frío cuya temperatura se mide; se supone que esta unión de referencia está a temperatura ambiente, pero esa temperatura puede variar. ^{[ 4 ]} Debido a la no linealidad en la curva de voltaje del termopar, los errores en${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$y${\displaystyle T_{\mathrm {sense} }}$son generalmente valores desiguales. Algunos termopares, como el tipo B, tienen una curva de voltaje relativamente plana cerca de la temperatura ambiente, lo que significa que una gran incertidumbre en una temperatura ambiente${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$se traduce en solo un pequeño error en${\displaystyle T_{\mathrm {sense} }}$.

Las uniones deben realizarse de forma fiable, pero existen diversas maneras de lograrlo. Para bajas temperaturas, las uniones pueden soldarse mediante soldadura fuerte o blanda; sin embargo, puede resultar difícil encontrar un fundente adecuado , y este podría no ser apropiado para la unión de detección debido al bajo punto de fusión de la soldadura. Por lo tanto, las uniones de referencia y extensión suelen realizarse con bornes de tornillo . Para altas temperaturas, el método más común es la soldadura por puntos o el engaste con un material duradero. ^{[ 5 ]}

Un mito común sobre los termopares es que las uniones deben realizarse de forma limpia, sin involucrar un tercer metal, para evitar campos electromagnéticos adicionales no deseados. ^{[ 6 ]} Esto puede deberse a otro malentendido común: que el voltaje se genera en la unión. ^{[ 7 ]} De hecho, en principio, las uniones deberían 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 débiles, a menudo del orden de microvoltios. Para medir con precisión esta señal, se requiere un amplificador con baja tensión de offset de entrada y se debe tener cuidado de evitar las fuerzas electromotrices térmicas derivadas del auto calentamiento del voltímetro. Si el cable del termopar presenta una alta resistencia por algún motivo (mal contacto en las uniones o cables muy delgados utilizados para una respuesta térmica rápida), el instrumento de medición debe tener una alta impedancia de entrada para evitar un offset en la tensión medida. Una función útil en la instrumentación de termopares permite medir simultáneamente la resistencia y detectar conexiones defectuosas en el cableado o en las uniones del termopar.

Aunque un tipo de cable de termopar a menudo se describe por su composición química, el objetivo real es producir un par de cables que sigan una composición estandarizada.${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$curva.

Las impurezas afectan a cada lote de metal de manera diferente, produciendo coeficientes Seebeck variables. Para igualar el comportamiento estándar, los fabricantes de alambre para termopares añaden deliberadamente impurezas para "dopar" la aleación, compensando así las variaciones incontroladas del material de origen. ^{[ 5 ]} Como resultado, existen grados estándar y especializados de alambre para termopares, según el nivel de precisión requerido en el comportamiento del termopar. Los grados de precisión pueden estar disponibles únicamente en pares emparejados, donde un alambre se modifica para compensar las deficiencias del otro.

Un tipo especial de cable para termopares se conoce como "grado de extensión", diseñado para transportar el circuito termoeléctrico a una distancia mayor. Los cables de extensión siguen las especificaciones indicadas.${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$curva, pero por diversas razones no están diseñadas para usarse en entornos extremos y, por lo tanto, no pueden usarse en la unión de detección en algunas aplicaciones. Por ejemplo, un cable de extensión puede tener una forma diferente, como ser altamente flexible con construcción trenzada y aislamiento de plástico, o ser parte de un cable multifilar para transportar muchos circuitos de termopares. Con termopares de metales nobles costosos, los cables de extensión incluso pueden estar hechos de un material completamente diferente y más económico que imita el tipo estándar en un rango de temperatura reducido. ^{[ 5 ]}

Los termopares se utilizan frecuentemente a altas temperaturas y en atmósferas reactivas de hornos. En estos casos, su vida útil se ve limitada por el envejecimiento. Los coeficientes termoeléctricos de los conductores de un termopar utilizado para medir temperaturas muy elevadas pueden variar con el tiempo, lo que provoca una disminución de la tensión de medición. La relación simple entre la diferencia de temperatura de las uniones y la tensión de medición solo es válida si cada conductor es homogéneo (de composición uniforme). A medida que los termopares envejecen, sus conductores pueden perder homogeneidad debido a cambios químicos y metalúrgicos causados ​​por la exposición extrema o prolongada a altas temperaturas. Si la sección envejecida del circuito del termopar se expone a un gradiente de temperatura, la tensión medida variará, lo que generará errores.

Los termopares envejecidos solo se modifican parcialmente; por ejemplo, no se ven afectados en las partes fuera del horno. Por esta razón, no se pueden extraer de su ubicación de instalación ni recalibrar en un baño o horno de prueba para determinar el error. Esto también explica por qué a veces se observa un error cuando se extrae parcialmente un termopar envejecido de un horno: al retirar el sensor, las secciones envejecidas pueden verse expuestas a mayores gradientes de temperatura, de caliente a frío, al pasar ahora por la zona refractaria más fría, lo que contribuye a un error significativo en la medición. Del mismo modo, un termopar envejecido que se introduce más profundamente en el horno podría proporcionar una lectura más precisa si, al introducirlo más profundamente, el gradiente de temperatura se produce únicamente en una sección nueva. ^{[ 8 ]}

Los termopares de tipo B, R y S utilizan platino o una aleación de platino/ rodio para cada conductor. Se encuentran entre los termopares más estables, pero tienen una sensibilidad menor que otros tipos, aproximadamente 10  μV/°C. Los termopares de tipo B, R y S se utilizan generalmente solo para mediciones de alta temperatura debido a su elevado coste y baja sensibilidad. Para los termopares de tipo R y S, se puede utilizar hilo de platino HTX en lugar del conductor de platino puro para reforzar el termopar y prevenir fallos por crecimiento de grano que pueden producirse en condiciones extremas y a altas temperaturas.

Estos termopares son idóneos para medir temperaturas extremadamente altas. Sus usos típicos incluyen atmósferas de hidrógeno e inertes, así como hornos de vacío . No se utilizan en ambientes oxidantes a altas temperaturas debido a la fragilización . ^{[ 23 ]} Un rango típico es de 0 a 2315  °C, que puede extenderse hasta 2760  °C en atmósfera inerte y hasta 3000  °C para mediciones breves. ^{[ 24 ]}

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

En presencia de vapor de agua a alta temperatura, el tungsteno reacciona para formar óxido de tungsteno(VI) , que se volatiliza, y hidrógeno. El hidrógeno reacciona entonces con el óxido de tungsteno, tras lo cual se forma agua de nuevo. Este "ciclo del agua" puede provocar la erosión del termopar y su eventual fallo. Por lo tanto, en aplicaciones de vacío a alta temperatura, es deseable evitar la presencia de trazas de agua. ^{[ 25 ]}

Una alternativa al tungsteno/ renio es el tungsteno/ molibdeno , pero la respuesta voltaje-temperatura es más débil y tiene un mínimo alrededor de los 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 aumentar su conductividad con la temperatura; una configuración particular del sensor mostró que la resistencia de aislamiento disminuía de un megaohmio a 1000  K a 200 ohmios a 2200  K. A altas temperaturas, los materiales experimentan reacciones químicas. A 2700  K, el óxido de berilio reacciona ligeramente con el tungsteno, la aleación de tungsteno-renio y el tantalio; a 2600  K, el molibdeno reacciona con el BeO, mientras que el tungsteno no reacciona. El BeO comienza a fundirse alrededor de los 2820  K, y el óxido de magnesio alrededor de los 3020  K. ^{[ 26 ]}

La tabla que aparece a continuación describe las propiedades de varios tipos de termopares. En 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 de las columnas de código de color muestra el extremo de un cable de termopar, indicando el color de la cubierta y el color de los conductores individuales. El color de fondo representa el color del cuerpo del conector.

Los cables que componen el termopar deben estar aislados entre sí en todos los puntos, 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 errónea de la temperatura.

Los plásticos son aislantes adecuados para las partes de baja temperatura de un termopar, mientras que el aislamiento cerámico puede utilizarse hasta aproximadamente 1000  °C. Otros factores (resistencia a la abrasión y a los productos químicos) también influyen en la idoneidad de los materiales.

Cuando el aislamiento del cable se desintegra, puede producirse un contacto eléctrico no deseado en un punto distinto al de detección. Si se utiliza 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, daños graves, ya que la lectura de temperatura errónea suele ser inferior a la temperatura de la unión de detección. El aislamiento defectuoso también suele liberar gases , lo que puede provocar la contaminación del proceso. Para las partes de los termopares que se utilizan a temperaturas muy elevadas o en aplicaciones sensibles a la contaminación, el único aislamiento adecuado puede ser el vacío o el gas inerte ; la rigidez mecánica de los cables del termopar se utiliza para mantenerlos separados.

Las clasificaciones de temperatura para los aislamientos pueden variar según la composición general del cable del termopar.

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

Los termopares de tipo B, S, R y K se utilizan ampliamente en las industrias siderúrgica y ferrosa para monitorizar la temperatura y la composición química durante todo el proceso de fabricación del acero. Los termopares desechables sumergibles de tipo S se utilizan habitualmente en el proceso de horno de arco eléctrico para medir con precisión la temperatura del acero antes del vaciado. La curva de enfriamiento de una pequeña muestra de acero puede analizarse y utilizarse para estimar el contenido de carbono del acero fundido.

Muchos aparatos de calefacción a gas , como hornos y calentadores de agua, utilizan una llama piloto para encender el quemador principal cuando es necesario. Si la llama piloto se apaga, se puede liberar gas sin quemar, lo que supone un riesgo de explosión y un peligro para la salud. Para evitarlo, algunos aparatos utilizan un termopar en un circuito de seguridad para detectar cuándo está encendida la llama piloto. La punta del termopar se coloca en la llama piloto, generando un voltaje que acciona la válvula de suministro de gas. Mientras la llama piloto permanezca encendida, el termopar se mantiene caliente y la válvula de gas piloto permanece abierta. Si la llama piloto se apaga, la temperatura del termopar desciende, lo que provoca una caída de voltaje y el cierre de la válvula.

Cuando la sonda se puede colocar fácilmente sobre la llama, a menudo se utiliza un sensor rectificador . Estos sensores, fabricados parcialmente en cerámica, también se conocen como varillas de detección de llama, sensores de llama o electrodos de detección de llama.

Algunas válvulas combinadas de quemador principal y piloto (principalmente de Honeywell ) reducen la demanda de energía al rango de un termopar universal calentado por un piloto (circuito abierto de 25 mV que se reduce a la mitad con la bobina conectada a una fuente de 10–12 mV, 0,2–0,25 A, típicamente) dimensionando la bobina para que pueda mantener la válvula abierta contra un resorte ligero, pero solo después de que el usuario proporcione la fuerza de activación inicial presionando y manteniendo presionado un botón para comprimir el resorte durante el encendido del piloto. Estos sistemas se identifican por la indicación "presionar y mantener presionado durante x minutos" en las instrucciones de encendido del piloto. (El requerimiento de corriente de mantenimiento de dicha válvula es mucho menor que el que requeriría un solenoide más grande diseñado para retraer la válvula desde una posición cerrada). Se fabrican equipos de prueba especiales para confirmar las corrientes de liberación y mantenimiento de la válvula, ya que no se puede utilizar un miliamperímetro común, puesto que introduce más resistencia que la bobina de la válvula de gas. Además de comprobar la tensión en circuito abierto del termopar y la continuidad de CC casi en cortocircuito a través de la bobina de la válvula de gas del termopar, la prueba más sencilla para un no especialista consiste en sustituir la válvula de gas por una que se sepa que funciona correctamente.

Algunos sistemas, conocidos como sistemas de control de milivoltios, extienden el concepto de termopar para abrir y cerrar también la válvula principal de gas. El voltaje generado por el termopar piloto no solo activa la válvula piloto de gas, sino que también se canaliza a través de un termostato para alimentar la válvula principal de gas. En este caso, se necesita un voltaje mayor que en el sistema de seguridad de llama piloto descrito anteriormente, y se utiliza una termopila en lugar de un solo termopar. Dicho sistema no requiere una fuente de electricidad externa para su funcionamiento y, por lo tanto, puede operar durante un corte de energía, siempre que todos los demás componentes del sistema lo permitan. Esto excluye a los hornos de aire forzado comunes, ya que se requiere energía eléctrica externa para operar el motor del ventilador, pero esta característica es especialmente útil para los calentadores de convección sin alimentación eléctrica . En ocasiones, se emplea un mecanismo de seguridad de cierre de gas similar mediante un termopar para asegurar que el quemador principal se encienda dentro de un período de tiempo determinado, cerrando la válvula de suministro de gas del quemador principal si esto no ocurre.

Debido a la preocupación por el desperdicio de energía causado por la llama piloto permanente, los diseñadores de muchos electrodomésticos modernos han optado por un encendido electrónico sin piloto, también llamado encendido intermitente. Al no haber llama piloto permanente, no existe riesgo de acumulación de gas si la llama se apaga, por lo que estos electrodomésticos no necesitan interruptores de seguridad con termopar. Si bien estos diseños pierden la ventaja de funcionar sin una fuente continua de electricidad, la llama piloto permanente todavía se utiliza en algunos electrodomésticos. La excepción son los calentadores de agua instantáneos (también conocidos como "sin tanque") de modelos más recientes , 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 seguridad de corte en caso de que el gas no se encienda o si la llama se extingue.

Las termopilas se utilizan para medir la intensidad de la radiación incidente, generalmente luz visible o infrarroja, que calienta las uniones calientes, mientras que las uniones frías se encuentran sobre un disipador de calor. Es posible medir intensidades radiativas de tan solo unos pocos μW/cm² ^con sensores de termopila disponibles comercialmente. Por ejemplo, algunos medidores de potencia láser se basan en este tipo de 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 se basa en un cambio de resistencia.

Los termopares se pueden utilizar generalmente en las pruebas de prototipos de aparatos eléctricos y mecánicos. Por ejemplo, en los cuadros eléctricos sometidos a pruebas de capacidad de corriente, se pueden instalar termopares que se monitorizan durante una prueba de calentamiento para confirmar que el aumento de temperatura a la corriente nominal no supera los límites de diseño.

Un termopar puede generar corriente para accionar directamente ciertos procesos, sin necesidad de circuitos ni fuentes de alimentación adicionales. Por ejemplo, la energía de un termopar puede activar una válvula cuando se produce una diferencia de temperatura. La energía eléctrica generada por un termopar se convierte a partir del calor que debe suministrarse al lado caliente para mantener el potencial eléctrico. Es necesaria una transferencia continua de calor, ya que la corriente que fluye a través del termopar tiende a enfriar el lado caliente y a calentar el lado frío ( 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 en las uniones individuales, lo que resulta en una mayor tensión y potencia de salida. En un generador termoeléctrico de radioisótopos , la desintegración radiactiva de elementos transuránicos como fuente de calor se ha utilizado para alimentar naves espaciales en misiones demasiado alejadas del Sol para utilizar energía solar.

Las termopilas calentadas por lámparas de queroseno se usaban para hacer funcionar receptores de radio sin batería en áreas aisladas. ^{[ 35 ]} Hay linternas de producción comercial que usan 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 estufas de leña .

En la producción química y las refinerías de petróleo, se suelen utilizar ordenadores para registrar y comprobar los límites de las numerosas temperaturas asociadas a un proceso, que normalmente se cuentan por cientos. En estos casos, se conectan varios cables de termopares a un bloque de referencia común (un gran bloque de cobre) que contiene el segundo termopar de cada circuito. La temperatura de este bloque se mide mediante un termistor . Se utilizan cálculos sencillos para determinar la temperatura en cada punto de medición.

Un termopar puede utilizarse como manómetro de vacío en el rango de presión absoluta de aproximadamente 0,001 a 1 torr . En este rango de presión, el recorrido 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 . ^{[ 36 ]} En esta configuración, la unión del termopar se conecta al centro de un hilo calefactor corto, que generalmente se alimenta con 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 a su vez 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 manómetro de vacío por Voege en 1906. ^{[ 37 ]} El modelo matemático para el termopar como manómetro de vacío es bastante complejo, como explica en detalle Van Atta, ^{[ 38 ]} pero puede simplificarse a:

${\displaystyle P={\frac {B(V^{2}-V_{0}^{2})}{V_{0}^{2}}},}$

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, V ₀ es el voltaje del termopar a presión cero (absoluta) y V es el voltaje indicado por el termopar.

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