Termopares
Un termopar es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado «punto caliente» o «unión caliente» o de «medida» y el otro llamado «punto frío» o «unión fría» o de referencia.
Leyes físicas utilizadas por los termopares:
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Efecto Seebeck:
El desarrollo de los termopares se debió a Thomas Johan Seebeck quien, en 1826, demostró que en un circuito compuesto por metales distintos A y B, cuando las temperaturas en las uniones son diferentes, se produce una f.e.m. en el circuito, observar figura T28:
Figura T28. Efecto Seebeck
Si se mantiene constante la temperatura de referencia Tr y se varía la temperatura T de la junta de prueba, se encuentra que la f.e.m. Seebeck es función de la temperatura T en forma lineal.
Esta fem obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier y el efecto Thomson.
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Efecto Peltier:
Cuando se hace circular una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura, se produce el efecto inverso al Seebeck. En este caso, se absorbe calor en una unión y se desprende calor en la otra, observar figura T29:
Figura T29. Efecto Peltier
Al invertir la polaridad de alimentación, se invierta también el funcionamiento; es decir: la unión que antes estaba fría empieza a calentarse, y la junta que estaba caliente empieza a enfriarse.
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Efecto Thomson:
Relaciona la f.e.m. generada en un conductor simple y homogéneo con la diferencia de temperatura en los extremos: “Cuando se mantiene una corriente en un cable de temperatura no uniforme, se libera o se absorbe calor en todos los puntos del alambre, este calor absorbido o cedido es proporcional a la cantidad de electricidad que atraviesa la porción del alambre y a la diferencia de temperatura entre los extremos de esa porción”, en la figura T30 se observa este efecto.
Figura T30. Efecto Thomson
La f.e.m. Thomson es proporcional a la temperatura y a la diferencia de temperatura y difiere para diferentes metales.
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Leyes de los circuitos termoeléctricos:
Son relaciones básicas utilizadas en el proyecto y aplicación de termopares para la medida de temperatura, estas son: la ley de los circuitos homogéneos, la ley de los metales intermedios y la ley de temperaturas sucesivas o intermedias.
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Ley de los circuitos homogéneos:
En un circuito formado por un solo metal, la FEM generada es cero, cualesquiera que sean las temperaturas, Observar figura T31:
Figura T31. Ley de los circuitos homogéneos
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Ley de los metales intermedios:
Si se interrumpe un circuito termoeléctrico en una de sus uniones, intercalándose un nuevo metal, la FEM generada por el circuito no cambiará si los extremos del nuevo metal son mantenidos a la misma temperatura que había en el punto de interrupción y que la temperatura en la otra unión permanezca invariable, observar figura 32:
Figura T32. Ley de los metales intermedios
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Ley de las temperaturas intermedias.
La f.e.m. térmica desarrollada por cualquier termopar con sus uniones a dos temperaturas cualesquiera T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T2 y la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3, observar figura T33 y ecuación T17:
Figura T33. Ley de las temperaturas intermedias
(T17)
Esta ley conduce a la ley de calibración de un termopar la cual establece: "Si la f.e.m. térmica de varios metales contra uno de referencia (tal como el platino) se conoce para diversas temperaturas, la f.e.m. de cualquier combinación de estos metales se puede obtener por suma algebraica".
Esto permite el uso de las tablas o de los polinomios de termopares que están hechos con una temperatura de referencia 0 °C (32 °F), mientras que en la práctica se usa como temperatura de referencia la temperatura ambiente.