Electrónica, Electricidad y Telecomunicaciones: Termocuplas (o Termopares)

EFECTO SEEBECK

Thomas Johann Seebeck

En 1821, Thomas Johann Seebeck (1770-1831), un médico nacido en Estonia y educado en Alemania, accidentalmente unió piezas semicirculares de bismuto y cobre, calentando una de las junturas (Tº1) y manteniendo fría la otra (Tº2). Una brújula cercana indicó que se producía una perturbación magnética (Fig.1). Seebeck experimentó repetidamente con diferentes combinaciones de metales a varias temperaturas, anotando el valor del campo magnético producido en cada caso. Cuando los materiales de los semicirculos eran los mismos, o cuando las temperaturas de las junturas eran iguales, no se producía el campo magnético.

Curiosamente, Seebeck no creyó que una corriente eléctrica estuviera circulando por los alambres y causando los campos magnéticos y resolvió denominar a este efecto “termomagnetismo”.

Fig.1 – El experimento de Seebeck

Seebeck nunca aceptó que hubiera una corriente produciendo el campo magnético que hacía mover la aguja de la brújula. Fue el dinamarqués Hans Christian Oersted (1777-1851), también médico dedicado a experimentar con la física, igual que Seebeck, quien en 1823, repitió la experiencia de Seebeck, pero intercalando un galvanómetro, que permitió apreciar la existencia de una corriente, convenciendo a todos los científicos de la época, menos a Seebeck, de que había una corriente que producía el campo magnético, imponiendo a partir de entonces el nombre de “termoelectricidad” al fenómeno.

Hans Christian Oersted

Como se muestra en la Fig.2-A, cuando los materiales de los dos semicírculos son iguales, digamos Cu (Cobre), se establecen dos fem (fuerzas electro motrices) iguales, pero de sentido contrario, que generan dos corrientes iguales y de sentido contrario (ia = ib), que dan como resultado una corriente nula.

Cuando los materiales son distintos y se eleva la temperatura de la juntura de arriba (Tº1), se siguen generando dos corrientes de sentido contrario, pero esta vez no son iguales (ia ≠ ib) y su diferencia da como resultado una corriente neta (Δi), como se muestra en la Fig.2-B.

La fem que genera la corriente también se puede medir y aprovechar, como de hecho se hace cuando se usa para alimentar la bobina de las electro válvulas de los pilotos de los artefactos a gas, como los calefactores, calefones, hornos, etc, o bien para medir temperaturas.

Fig.2 – A: con iguales materiales en ambas ramas, la fem y la corriente son cero; B: con una

rama de bismuto y la otra de cobre hay corriente neta resultante (Δi), que se puede medir cortando

una de las ramas e introduciendo un galvanómetro.

En la Fig.3 se ha cortado el lazo y se ha introducido un voltímetro para medir la fuerza electromotriz producida por el efecto Seebeck, llamada fem Seebeck. En español, el nombre correcto sería termopar, para designar a esta unión de dos metales distintos con una juntura a una temperatura mayor que la otra. En inglés se le llama thermocouple. En algunos países, como Argentina y Uruguay, acostumbramos a llamarle termocupla. La condición de esta medición es que las uniones del cobre con el metal b, estén a la misma temperatura que el metal b, para que no se nos produzca una termocupla adicional. El detalle es que la palabra cupla no existe en el diccionario de la RAE y si existe couple en el diccionario inglés, con el significado de par, yunta, pareja, etc.

Fig.3 – Medición de la fem Seebeck en un termopar.

Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la juntura caliente (Tº1) y la fría (Tº2), mayor será la diferencia de potencial medida con el voltímetro V de la Fig.3. Si llamamos ΔT a la diferencia de temperatura entre las dos junturas y V a la diferencia de potencial medida con el voltímetro, definiremos el coeficiente de Seebeck α ab para la termocupla formada por los metales a y b como:

α ab = V / ΔT

El coeficiente de Seebeck depende de la diferencia de temperatura entre las junturas caliente y fría y de la naturaleza de los metales a y b. Las unidades que se suelen utilizar para medirlo son micro voltios por grados Kelvin (μV/ºK) o microvoltios por grados centígrado (μV/ºC).

Fig.4 – La tensión de la juntura caliente en función de su temperatura

A medida que aumentamos la temperatura de la juntura caliente (Tº1), manteniendo la temperatura de la juntura fría constante, digamos a 0ºC, la fem aumenta hasta que alcanza un máximo a una temperatura determinada (Fig.4). La temperatura de la juntura caliente en la que la fem resulta máxima, se denomina temperatura neutra (Tn). La temperatura neutra es constante para un termopar de dos materiales dados (p. Ej. Para Cu-Fe, Tn = 270 ° C). La temperatura neutra es independiente de la temperatura de la juntura fría.

Si la temperatura de la juntura caliente aumenta más allá de la temperatura neutra, la fem comienza a disminuir y a una temperatura particular se vuelve cero; al calentarse ligeramente más, la polaridad de la fem se invierte. Esta temperatura de la juntura caliente se llama temperatura de inversión (Ti).

Otra forma de medir la fem de una termocupla

Para medir la fem de la termocupla también se puede usar el esquema de la Fig.5. No es necesario que los metales a y b estén unidos directamente en el extremo frío, siempre que los dos extremos fríos en su unión con el cobre se encuentren a la misma temperatura Tº2.

Tampoco es necesario que en la juntura caliente (Tº1) los dos metales estén soldados, pudiendo encontrarse enrrollados, como se muestra en la figura. No obstante, en las termocuplas comerciales por lo general están soldados.

Fig.5 – Disposición práctica de la termocupla

Termocupla comandando electroválvula de seguridad en artefacto a gas

El esquema representado en la Fig.6 se encuentra instalado en todos los artefactos a gas que funcionen con un piloto, tales como calefactores, calefones, cocinas, etc.

Los metales a y b están constituídos por aleaciones de Cr-Fe y de Cu-Ni y se han conectado a los cables de cobre que transfieren la tensión de la termocupla (fem) hasta la bobina de la electroválvula, que permite el pasaje de gas hacia el artefacto.

Fig.6 - Esquema de conexión de la termocupla en sistema de seguridad de artefactos a gas que usan piloto.

La electroválvula admite ser abierta manualmente, presionando la perilla de comando, ubicada en el panel frontal del artefacto, permitiendo el pasaje del gas hacia el piloto y entonces este puede ser encendido mediante la aplicación de una llama o chispa. Manteniendo esta situación durante algunos segundos, la tensión de la termocupla aplicada sobre la bobina de la electroválvula, habrá adquirido un valor tal (25 a 30 milivoltios) que permitirá mantener retenida la apertura de la electroválvula al dejar de presionar la perilla de comando.

Luego, mediante el giro de la perilla de comando, se habilita el pasaje del gas de salida de la electroválvula hacia el quemador principal, permitiendo enviar más o menos gas según la perilla se gire hasta máximo o mínimo.

Los dos conductores de cobre en toda su extensión, desde su conexión con la termocupla hasta su conexión con la electroválvula, se encuentran aislados entre si, y en el extremo que se conecta con la electroválvula una arandela aislante de fibra evita su contacto. Uno de los conductores de cobre es el cañito exterior de cobre y el interior es un hilo aislado.

Con esta configuración instalada, si se apagara el piloto, por cualquier causa, como el viento, por ejemplo, se cierra la electroválvula y se corta el ingreso de gas. Por eso es el sistema de seguridad para estos artefactos.

Observese que la tensión que entrega la termocupla, cuando el piloto enciende, no es suficiente para abrir la electroválvula, sino que solo alcanza para retenerla abierta, después que Ud la abrió presionándola con su mano. La tensión eléctrica que sería necesaria para abrirla, es mucho mayor que para retenerla.

Esto ocurre también con los relé: la tensión que hay que aplicarle a su bobina para que accione, siempre es mucho mayor que la tensión necesaria para mantenerlo retenido una vez que fue accionado.

Para probar si una termocupla funciona se debe extraer del artefacto, calentar la juntura caliente en la llama de una hornalla de una cocina, por ejemplo y medir con un voltímetro en la escala de milivoltios, entre el cañito de cobre exterior y el hilo de cobre interior en el extremo que se conecta a la electroválvula. Se deberá observar una tensión de unos 25 mV a 30 mV cuando la termocupla está funcionando correctamente.

Las Termopilas

Es posible conectar termocuplas en serie, aumentando en gran medida la potencia disponible. Esta serie de termocuplas se llama termopila (thermopile en inglés). Esto se ilustra en la Fig.7, donde se muestra una termopila compuesta por siete termocuplas en serie. Se instala sobre un quemador piloto y suministra una tensión de corriente contínua muy estable a la carga. Se dice que Georg Simon Ohm, usó las termocuplas de Seebeck como fuente de alimentación, por su gran estabilidad, mientras investigaba con electricidad para descubrir la Ley de Ohm. La palabra termopila si está en el diccionario de la RAE.

Las termopilas para usar en controles de temperatura, están diseñadas para producir 750 milivoltios. Otros voltajes usados comúnmente en el pasado con ese fin, incluyeron sistemas de 250 y 500 milivoltios.

Fig.7 – Una termopila compuesta por 7 termocuplas en serie

La firma canadiense Gentherm Global Power Technologies (GPT), anteriormente conocida como Global Thermoelectric, fabrica Generadores termoeléctricos basados en este principio. Los generadores termoeléctricos son utilizados cuando se requiere energía confiable para aplicaciones en sistemas SCADA, Protección catódica, Automatización, Telecomunicaciones, Plataformas marinas, Seguridad y Vigilancia.

Los generadores termoeléctricos, fabricados por GPT, cubren un rango de potencia entre 21W y 550W. También manifiestan que pueden conectarse en serie y en paralelo para alcanzar los 5KW.

Fig.8 – Termo generador (a la derecha) alimentando estación SCADA remota

Por ejemplo (s/especificaciones del fabricante): Un equipo GPT de 21 Watts/12 Voltios, consume 2,1 m3/día de Gas Natural de 8.905,1Kcalorías/m3, dentro de un rango de presión comprendido entre 69 kPa y 172 kPa. El precio: USD 5.600 (entrega en fábrica en Canadá).

Tipos de termocuplas para medición de temperaturas

La utilización de las termocuplas para medición de temperaturas se considera una función muy importante y las termocuplas para ese fin tienen un tratamiento especial. La precisión de esta medición es muy buena. La técnica de la medición sería similar a la mostrada en la Fig.5, donde la llama del mechero se reemplaza por el contacto con el objeto al que se quiere medir su temperatura. Se mantiene a temperatura fija la juntura fría y se gradúa el voltímetro en grados de temperatura.

Hay muchos tipos de termocuplas fabricados con diferentes materiales y aleaciones. Diferentes materiales tendrán diferente sensibilidad, diferentes valores de tensión generada a la misma temperatura y afectarán otras características como la temperatura máxima.

Se han estandarizado varios tipos de termocuplas, asignando letras a cada tipo, según los materiales especificados que utilizan. Algunos de las termocuplas más comunes y sus materiales se enumeran en la tabla de la Fig.9:

Fig.9 – Tipos más comunes de termocuplas y su composición.

En la Fig.10 se muestra el rango de temperatura a medir y los errores de medición de algunos tipos de termocuplas:

Fig.10 – Rangos de temperatura a medir de algunos tipos de termocuplas

En la Fig.11 se muestran curvas características de fem en función de la temperatura para distintos tipos de termocuplas. Estas curvas han sido trazadas considerando que la juntura fría se encuentra a 0ºC, por lo que ΔT = T y se ha tomado a la fem como la tensión de la juntura caliente con respecto a la juntura fría.

Fig.11 – fem de distintos tipos de termocuplas en función de la temperatura a medir.

Compensación de la juntura de referencia en la medición de temperaturas:

La temperatura de la juntura de referencia de la termocupla (juntura fría – Tº2) debe ser conocida, para obtener una lectura precisa de la temperatura absoluta de la juntura caliente, que será la temperatura a medir.

Temperatura absoluta = ΔT + Tref.

Donde:

Temperatura absoluta= Tº1 =temperatura a medir

ΔT = Tº1 – Tº2

Tref. = Tº2

Cuando las termocuplas se usaron por primera vez para medir temperatura, se hizo manteniendo la juntura de referencia en un baño de hielo. La Figura 12 representa un circuito de termocupla con un extremo a una temperatura desconocida y el otro extremo en un baño de hielo (0° C). Este método se utilizó para caracterizar de forma exhaustiva los distintos tipos de termopares, por lo que casi todas las tablas y curvas de termocuplas utilizan 0° C como temperatura de referencia.

Pero mantener la juntura de referencia de la termocupla en un baño de hielo, no es práctico para la mayoría de los sistemas de medición. En cambio, la mayoría de los sistemas utilizan una técnica llamada compensación de la juntura de referencia (también conocida como compensación de unión fría). La temperatura de la juntura de referencia se mide con otro dispositivo sensible a la temperatura, típicamente un CI, termistor, diodo o RTD (detector de temperatura de resistencia).

La lectura del voltaje de la termocupla se compensa para reflejar la temperatura de la juntura de referencia. Es importante que la temperatura de la juntura de referencia se lea con la mayor precisión posible, con un sensor de temperatura preciso, mantenido a la misma temperatura que la juntura de referencia. Cualquier error en la lectura de la temperatura de la juntura de referencia, aparecerá directamente en la lectura final de la termocupla.

Una variedad de sensores están disponibles para medir la temperatura de referencia:

1. Termistores: Tienen respuesta rápida y un tamaño pequeño; pero requieren linealización y tienen una precisión limitada, especialmente para un amplio rango de temperatura. También requieren corriente para la excitación, que puede producir autocalentamiento y conducir a errores.

2. Detectores de temperatura de resistencia (RTD): los RTD son precisos, estables y razonablemente lineales; sin embargo, el tamaño y el costo restringen su uso a las aplicaciones de control de procesos.

3. Diodos térmicos remotos: se usa un diodo para detectar la temperatura cerca del conector del termopar. Un chip de acondicionamiento convierte el voltaje del diodo, que es proporcional a la temperatura, en una salida analógica o digital. Su precisión está limitada aproximadamente ± 1° C.

4. Sensor de temperatura integrado: un sensor de temperatura integrado, un CI independiente que detecta la temperatura localmente, debe montarse cuidadosamente cerca de la unión de referencia, y puede combinar la compensación de la juntura de referencia y el acondicionamiento de la señal. Se pueden lograr precisiones dentro de pequeñas fracciones de 1° C.