Conceptos básicos de termopares: uso del efecto Seebeck para la medición de temperatura

Los termopares son un tipo popular de sensor de temperatura debido a su robustez, precio relativamente bajo, amplio rango de temperatura y estabilidad a largo plazo. El efecto Seebeck discutido en el artículo anterior es el principio subyacente que rige la operación del termopar. El efecto Seebeck describe cómo una diferencia de temperatura (ΔT) entre los dos extremos de un alambre de metal puede producir una diferencia de voltaje (ΔV) a lo largo del alambre. Este efecto se caracteriza por la siguiente ecuación:

$$S = \frac{\Delta V}{\Delta T} = \frac{V_{frío}-V_{caliente}}{T_{caliente}-T_{frío}}$$

Donde S denota el efecto Seebeck del material. Esta ecuación también se puede expresar como:

$$S(T)=\frac{dV}{dT}$$

Aquí, S(T) enfatiza que el efecto Seebeck es una función de la temperatura. Tenga en cuenta que el efecto Seebeck también se observa en aleaciones metálicas y semiconductores. Veamos cómo se puede usar este efecto para medir la temperatura.

La ecuación 1 sugiere que al tener el coeficiente de Seebeck de un material, la diferencia de voltaje a través de un conductor puede usarse para determinar la diferencia de temperatura entre los dos extremos. Aunque esto es teóricamente correcto, la medición directa del voltaje Seebeck de un material individual es imposible. Como ejemplo, considere la configuración que se muestra en la Figura 1.

Los extremos del alambre de cobre están a T1 = 25 °C y T2 = 100 °C. Suponga que, en este rango de temperatura, el coeficiente absoluto de Seebeck del cobre es constante e igual a +1,5 μV/°C. Usando la Ecuación 1, podemos encontrar la diferencia de voltaje a través del cable como:

$$V_{1}-V_{2}=1,5\times(100-25)=112,5\,\mu V$$

El voltaje medido por el multímetro será diferente porque la ruta que consta de los cables del multímetro y el circuito de entrada del multímetro también experimenta una diferencia de temperatura de 75 °C. El voltaje Seebeck no deseado a través de los cables de prueba y el circuito de entrada del multímetro introduce errores.

Para evitar crear un voltaje Seebeck en los cables de prueba y el multímetro, debemos mantener estas partes a una temperatura constante. Por ejemplo, podemos mantener el sistema de medición a 25 °C como se muestra en la Figura 2.

En este ejemplo, se requiere otro conductor para realizar la conexión eléctrica entre el cable de prueba negro y el extremo activo del cable de cobre. Esta conexión se muestra con "Metal 2" en la figura. Es importante tener en cuenta que no se puede utilizar alambre de cobre para esta conexión. Esto se debe a que también experimentará el mismo gradiente de temperatura que el cable de cobre original, lo que generará una diferencia de voltaje (a través del metal 2) de:

$$V_{3}-V_{2}=1,5 \times (100-25) = 112,5\,\mu V$$

Por lo tanto, el multímetro medirá cero voltios independientemente de la diferencia de temperatura en el cable de cobre original. La discusión anterior muestra por qué el coeficiente absoluto de Seebeck de un material no se puede medir directamente con un multímetro. Un método común para determinar el coeficiente absoluto de Seebeck es aplicar la relación de Kelvin.

De la discusión anterior, se puede suponer que se requieren materiales con coeficientes de Seebeck desiguales para producir una diferencia de voltaje proporcional al gradiente de temperatura. Por ejemplo, con cobre que tiene un coeficiente de Seebeck de +1,5 μV/°C a 0 °C, podemos usar un alambre de constantán con un coeficiente de Seebeck absoluto de -40 μV/°C a 0 °C. Reemplazando "Metal 2" con un cable de constantan, el multímetro debe medir una diferencia de voltaje de 3112.5 μV, como se calcula a continuación:

$$V_{1}-V_{3}= (V_{1}-V_{2})-(V_{3}-V_{2})= 1,5 \veces(100-25)-(-40)\ veces(100 - 25) = 3112.5\,\mu V$$

Tenga en cuenta que el cálculo anterior supone que los coeficientes de Seebeck del cobre y el constantán son constantes e iguales a los valores especificados en el rango de temperatura de interés.

Por lo tanto, se pueden usar dos conductores diferentes soldados o soldados juntos en un extremo para crear un sensor de temperatura. La estructura de este sensor de temperatura, conocido como termopar, se muestra en la Figura 3.

La unión en la que se acoplan los dos metales diferentes se denomina unión de medición (o unión caliente). El extremo opuesto donde el sensor se conecta al sistema de medición se denomina unión de referencia (o unión fría). Por lo general, se requiere un bloque isotérmico, que está hecho de un material conductor del calor, para mantener los conductores del termopar a la misma temperatura.

Tenga en cuenta que un termopar mide la diferencia de temperatura entre las uniones de medición y de referencia, no la temperatura absoluta en estas uniones. El voltaje de circuito abierto en la unión de referencia es proporcional a la diferencia de temperatura entre los dos extremos.

Un termopar creado al unir un alambre de cobre a un alambre de constantán se conoce como termopar tipo T. Otros tipos comunes de termopares son:

Los fabricantes comúnmente especifican el coeficiente de Seebeck (o sensibilidad) general de un tipo de termopar como una tabla, un gráfico o una ecuación. Por ejemplo, el coeficiente de Seebeck de un termopar tipo T a 0 °C generalmente se especifica en aproximadamente 39 µV/°C, que está cerca del valor que obtuvimos anteriormente de los metales/aleaciones individuales empleados (41,5 µV/°C) . Sabemos que este valor de sensibilidad cambia con la temperatura. La figura 4 muestra el coeficiente de Seebeck de termopares tipo T, J y K en función de la temperatura.

Las curvas anteriores se obtienen con una unión de referencia a 0 °C. En el próximo artículo, discutiremos la configuración de estas medidas con mayor detalle y veremos cómo se puede usar esta información en la práctica.

Aunque la mayoría de los ingenieros están familiarizados con los termopares, existen algunos conceptos erróneos comunes. Dado que los termopares usan dos metales diferentes unidos en un extremo para medir la temperatura, un concepto erróneo frecuente es que el voltaje de Seebeck se produce como resultado de unir metales diferentes. Ahora sabemos que un solo material conductor puede producir un voltaje de Seebeck cuando hay un gradiente de temperatura.

También es importante recordar que el voltaje de Seebeck no se produce en la unión de dos metales diferentes. El voltaje de Seebeck se desarrolla a lo largo del cable que experimenta una diferencia de temperatura (Figura 5).

La unión proporciona una conexión eléctrica entre los metales diferentes y se coloca donde se necesita medir la temperatura. Sin embargo, prácticamente no se desarrolla voltaje justo en la unión.

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