Sensores y medida4 min de lectura
Cómo funciona un termopar y por qué necesita tablas
Un termopar son dos hilos soldados por un extremo y, sin embargo, convertir su señal en grados exige una tabla normalizada y una segunda medida de temperatura. La razón está en cómo nace esa tensión y en que no crece en línea recta.
El efecto Seebeck: tensión a partir de una diferencia de temperatura
En 1821, Thomas Johann Seebeck observó que en un circuito de dos metales distintos circula corriente cuando sus uniones están a temperaturas diferentes. El fenómeno ocurre a lo largo de cada hilo: entre un extremo caliente y otro frío aparece una pequeña tensión que depende del material. Con dos hilos iguales, las tensiones se anulan; con dos distintos, queda una diferencia medible.
Eso es un termopar: dos hilos de aleaciones distintas unidos por un extremo, la unión caliente o de medida, y conectados por el otro al instrumento. La señal es pequeña: un tipo K da unos 41 µV por grado (millonésimas de voltio), unos 41 mV a 1.000 °C. Y no mide una temperatura, sino una diferencia de temperaturas entre sus extremos.
Los tipos más habituales
Cada pareja de aleaciones se designa con una letra y tiene su propia curva, fijada por la norma IEC 60584-1 (UNE-EN 60584-1 en España), que recoge las mismas funciones de referencia que publica el NIST estadounidense.
| Tipo | Hilos (+ / −) | Uso orientativo | Sensibilidad aproximada |
|---|---|---|---|
| K | Níquel-cromo / níquel-aluminio | −200 a 1.200 °C | ~40 µV/°C |
| J | Hierro / cobre-níquel | −40 a 750 °C | ~50–60 µV/°C |
| T | Cobre / cobre-níquel | −200 a 350 °C | ~40–58 µV/°C |
| N | Níquel-cromo-silicio / níquel-silicio | −200 a 1.250 °C | ~26–39 µV/°C |
| R y S | Platino-rodio / platino | 0 a 1.600 °C | ~5–14 µV/°C |
El K es el comodín industrial; los de platino se reservan para procesos muy calientes, porque son caros y dan poca señal.
Por qué no es lineal
La tensión de Seebeck depende de propiedades del material que cambian con la temperatura, así que la sensibilidad no es constante. En el tipo K pasa de unos 39,5 µV/°C a 0 °C a unos 42,5 µV/°C hacia 500 °C y cae a menos de 37 µV/°C por encima de 1.200 °C, con una pequeña ondulación hacia 100–200 °C por el magnetismo de una de sus aleaciones.
Si se convierte la tensión con una recta de 41 µV/°C, el error es de pocos grados entre 0 y 1.000 °C, pero ronda los 9 °C a 1.200 °C, supera los 30 °C al final de la escala y pasa de 50 °C a −200 °C. Por eso la norma define una función de referencia por tramos (en el tipo K, un polinomio de grado 9 por encima de 0 °C más un término exponencial) y la tabla que sale de ella, en pasos de 1 °C. Para pasar de tensión a temperatura se usan polinomios inversos, con errores de centésimas de grado, o la tabla interpolada.
La unión fría y su compensación
Donde los hilos del termopar se conectan a las bornas de cobre del instrumento aparecen dos uniones nuevas: la unión fría o de referencia. Se mide la tensión de la unión caliente menos la de la fría, y las tablas suponen la fría a 0 °C, como cuando se sumergía en hielo fundente.
Hoy se hace la compensación de unión fría: un sensor mide la temperatura de las bornas, la tabla da la tensión equivalente, se suma a la medida y solo entonces se convierte a grados. Se corrige en tensión, no sumando grados, porque la curva no es recta. Un ejemplo con tipo K: a 500 °C y con las bornas a 25 °C, el instrumento recibe 20,644 − 1,000 = 19,644 mV; sin compensar, indicaría unos 476 °C. Las dos bornas deben estar a la misma temperatura, sobre un bloque isotermo.
Precisión: lo que promete la norma
La IEC 60584-1 define clases de tolerancia para el sensor. Un tipo K de clase 1 admite ±1,5 °C entre −40 y 375 °C y ±0,4 % del valor hasta 1.000 °C; uno de clase 2, ±2,5 °C o ±0,75 %. El tipo T de clase 1 llega a ±0,5 °C hasta 125 °C. Hay que sumar el instrumento, la compensación (a menudo de 0,5 a 1 °C) y el cable: en la industria, 2 a 3 °C de error total es razonable; para afinar más, hay que calibrar el conjunto.
Cables de extensión y de compensación
Un hilo de cobre entre termopar e instrumento crea una unión nueva donde no se mide la temperatura. La norma IEC 60584-3 define dos familias: los cables de extensión, de la misma aleación que el termopar, y los cables de compensación, de aleaciones más baratas que lo imitan solo en un rango limitado, cerca del ambiente. En la norma IEC el tipo K es verde, pero otras normas usan otros colores, y confundirlos es un error clásico.
Errores típicos
- Polaridad invertida en el cable de compensación: el error crece con la diferencia de temperatura entre la cabeza del sensor y el instrumento.
- Cable de compensación usado fuera de su rango, por ejemplo junto a la boca de un horno.
- Tipo mal configurado en el instrumento: un J leído como K da errores de decenas de grados.
- Ruido eléctrico: con microvoltios, cable trenzado y apantallado, lejos de los de potencia, y cuidado con los bucles de masa.
- Deriva: el tipo K cambia de forma reversible entre unos 250 y 550 °C y se degrada en atmósferas pobres en oxígeno a alta temperatura; ahí el tipo N es mejor opción.
- Inmersión insuficiente: el termopar mide en parte la temperatura del soporte.