Los termopares son dispositivos ampliamente utilizados en la industria para la medición de temperaturas. Gracias a su versatilidad, bajo coste y robustez, los termopares se han convertido en una de las opciones más populares para controlar y medir con precisión la temperatura en una variedad de entornos. Su diseño y funcionamiento se basan en principios físicos sencillos, pero con aplicaciones que van desde procesos industriales hasta la investigación científica.
Existen varios tipos de termopares, cada uno diseñado para diferentes rangos de temperatura y condiciones ambientales. En este artículo, exploraremos en profundidad los distintos tipos de termopares, sus aplicaciones, características clave y cómo elegir el más adecuado según el entorno y la necesidad específica de medición.
¿Qué es un termopar?
Un termopar es un sensor que mide la temperatura a través de la unión de dos conductores metálicos diferentes. Estos conductores generan un voltaje que varía con la diferencia de temperatura entre los extremos del sensor, lo que permite determinar la temperatura exacta en el punto de medición. A este fenómeno se le llama efecto Seebeck, que es la base del funcionamiento de los termopares.
Principio de funcionamiento
Como mencionamos, el termopar se basa en el efecto Seebeck. Cuando dos metales se colocan en contacto y se someten a una diferencia de temperatura, generan un voltaje. Uno de los extremos del termopar está en contacto con el objeto cuya temperatura se mide (la unión caliente), mientras que el otro extremo se mantiene a una temperatura conocida, como la temperatura ambiente (la unión fría).
Este voltaje generado se convierte en una lectura de temperatura útil. Es importante tener en cuenta que la señal de salida de los termopares es muy pequeña, generalmente en milivoltios, por lo que es necesario un circuito de amplificación para traducir esa señal en una cifra manejable.
Tipos de termopares
Existen varios tipos de termopares según los materiales que componen los conductores, y cada tipo tiene propiedades únicas en cuanto al rango de temperatura y precisión. A continuación, describimos los más comunes.
Termopar tipo K
El termopar tipo K es el más común en la industria. Se compone de una combinación de níquel-cromo (Chromel®) como elemento positivo y níquel-aluminio (Alumel®) como elemento negativo. Es ideal para medir temperaturas en un amplio rango que va desde los -200°C hasta los 1250°C.
Este tipo de termopar es especialmente útil en entornos donde se presentan atmósferas oxidantes y de alta temperatura. Su bajo coste y durabilidad lo convierten en una excelente opción para aplicaciones industriales generalizadas.
Termopar tipo J
El termopar tipo J es conocido por su uso en entornos donde las temperaturas oscilan entre los -210°C y los 760°C. Está compuesto de hierro como conductor positivo y constantán (una aleación de cobre y níquel) como conductor negativo.
Es uno de los termopares más económicos y es adecuado para ambientes que no superen los 760°C, ya que el hierro se oxida rápidamente a temperaturas más altas. Por lo tanto, es ideal para aplicaciones que exigen un sensor de bajo coste y temperaturas moderadas.
Termopar tipo T
El termopar tipo T es excelente para mediciones de bajas temperaturas, como aquellas que van desde -200°C hasta 350°C. Sus conductores están formados por cobre en el lado positivo y constantán en el lado negativo. Es uno de los mejores en cuanto a estabilidad y precisión cuando se trabaja en rangos criogénicos o atmosféricos no extremos.
Termopares de metales preciosos: tipos R, S y B
Estos tipos de termopares están formados principalmente por metales preciosos como el platino, lo que los hace idóneos para aplicaciones que requieren medir temperaturas muy altas, de hasta 1700°C. Son muy precisos y estables, pero también caros.
El termopar tipo R utiliza una combinación de platino-rodio como conductores. Es adecuado para temperaturas de hasta 1450°C y es muy estable, lo que lo hace adecuado para laboratorios y ambientes de alta precisión.
El termopar tipo S es similar al tipo R, pero su relación de platino-rodio es ligeramente diferente, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren un nivel elevado de estabilidad y durabilidad.
El termopar tipo B destaca por su capacidad de medir temperaturas extremadamente altas, hasta los 1700°C, sin necesidad de compensación en la unión fría hasta los 50°C. Esto lo hace útil en aplicaciones industriales de alto riesgo y ambientes hostiles.
Termopar tipo N
El termopar tipo N fue desarrollado como una evolución del tipo K, y se caracteriza por su mayor resistencia a la oxidación y estabilidad a altas temperaturas. Utiliza aleaciones de nicrosil y nisil, lo que le permite operar en rangos de hasta 1280°C.
Este tipo de termopar es una opción ideal para aplicaciones que exigen alta resistencia a la degradación térmica y durabilidad a largo plazo.
Rangos y límites de error de los termopares
La normativa IEC 60584-1 establece diferentes rangos de temperaturas y límites de error para cada tipo de termopar. Aunque varían según el diámetro del alambre y las condiciones ambientales, a grandes rasgos, se puede definir lo siguiente:
- Tipo J: -210°C a 760°C, con un error de ±2.2°C o ±0.75%
- Tipo K: -200°C a 1250°C, con un error de ±2.2°C o ±0.75%
- Tipo T: -200°C a 350°C, con un error de ±1.0°C o ±0.75%
- Tipo N: -200°C a 1280°C, con un error de ±2.2°C o ±0.75%
¿Cómo elegir el termopar adecuado?
Seleccionar el termopar adecuado depende de varios factores, como el rango de temperatura que se desea medir, el entorno en el que se va a utilizar el sensor, y el presupuesto disponible. Es importante considerar aspectos como:
- Temperatura máxima y mínima: Cada tipo de termopar tiene un rango específico de operación.
- Entorno de operación: Atmósferas oxidantes, reductoras, criogénicas, etc., podrían influir en la durabilidad del sensor.
- Resistencia química: Algunos materiales son más susceptibles a la corrosión, lo que afectará la vida útil del sensor.
- Precisión: A mayor precisión, generalmente se incrementa el coste, por lo que es un factor a equilibrar con la funcionalidad.
Aplicaciones comunes
Los termopares se utilizan en millones de aplicaciones en una variedad de industrias, debido a su versatilidad y robustez. Algunos ejemplos incluyen:
- Plantas de energía donde se monitorean las temperaturas de turbinas y otros componentes críticos.
- Laboratorios de investigación donde se requiere una gran precisión en la medición a temperaturas extremas, tanto altas como bajas.
- Procesos industriales como la automatización de fábricas, donde la necesidad de supervisión térmica es constante.
Ventajas y desventajas de los termopares
A pesar de ser ampliamente utilizados, no todos los entornos son adecuados para los termopares. Vamos a analizar sus puntos fuertes y débiles.
Ventajas
- Robustez y durabilidad incluso en condiciones extremas.
- Bajo coste en comparación con otros sensores como los RTD.
- Amplios rangos de temperatura, desde aplicaciones criogénicas hasta contratos de alta temperatura.
Desventajas
- Precisión limitada en comparación con tecnologías más avanzadas como los RTD.
- Sensibilidad al ruido eléctrico, especialmente en largos tendidos de cable.
- Necesidad de implementar compensación de unión fría para obtener lecturas precisas.
Al tratar de seleccionar un termopar adecuado para una aplicación concreta, es fundamental tener en cuenta todos estos factores, sopesando las ventajas que ofrece, como su bajo coste y rango de operación amplio, contra sus limitaciones de precisión y sensibilidad al ambiente. Los termopares siguen siendo una de las soluciones más eficientes y versátiles para medir temperatura en aplicaciones industriales de alta exigencia.