Un termopar es un dispositivo que convierte el calor en electricidad utilizando el efecto termoeléctrico.

Está compuesto por varios termopares, que son pares de hilos hechos de diferentes metales que generan un voltaje cuando se exponen a una diferencia de temperatura. Los termopares están conectados en serie o, a veces, en paralelo para formar un termopar, lo que produce una salida de voltaje mayor que la de un solo termopar. Los termopares se utilizan para diversas aplicaciones, como medir la temperatura, generar energía y detectar radiación infrarroja.

¿Cómo funciona un termopar?

Un termopar funciona según el principio del efecto termoeléctrico, que es la conversión directa de diferencias de temperatura en voltaje eléctrico y viceversa. Este efecto fue descubierto por Thomas Seebeck en 1826, quien observó que un circuito hecho de dos metales diferentes producía un voltaje cuando una unión estaba caliente y la otra estaba fría.

Un termopar es esencialmente una serie de termopares, cada uno de los cuales consta de dos hilos de diferentes metales con grandes potencia termoeléctrica y polaridades opuestas.

La potencia termoeléctrica es una medida de cuánto voltaje genera un material por unidad de diferencia de temperatura. Los hilos se unen en dos uniones, una caliente y otra fría. Las uniones calientes se colocan en una región con temperaturas más altas, mientras que las uniones frías se colocan en una región con temperaturas más bajas. La diferencia de temperatura entre las uniones calientes y frías causa un corriente eléctrica que fluye a través del circuito, generando una salida de voltaje.

La salida de voltaje de un termopar es proporcional a la diferencia de temperatura a través del dispositivo y al número de pares de termopares.

La constante de proporcionalidad se llama coeficiente de Seebeck, que se expresa en voltios por kelvin (V/K) o milivoltios por kelvin (mV/K). El coeficiente de Seebeck depende del tipo y combinación de metales utilizados en los termopares.

El diagrama a continuación muestra un termopar simple con dos conjuntos de pares de termopares conectados en serie.

Las dos uniones superiores de los termopares están a la temperatura T1, mientras que las dos uniones inferiores de los termopares están a la temperatura T2. La salida de voltaje del termopar, ΔV, es directamente proporcional a la diferencia de temperatura, ΔT o T1 – T2, a través de la capa de resistencia térmica y al número de pares de termopares. La capa de resistencia térmica es un material que reduce la transferencia de calor entre las regiones caliente y fría.

Diagrama de un termopar de temperatura diferencial

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Resistencia
       Térmica
        Capa
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Los termopares también se pueden construir con más de dos conjuntos de pares de termopares para aumentar la salida de voltaje.

Los termopares también se pueden conectar en paralelo, pero esta configuración es menos común porque aumenta la salida de corriente en lugar de la salida de voltaje.

Los termopares no responden a la temperatura absoluta, sino solo a las diferencias de temperatura o gradientes.

Por lo tanto, se pueden utilizar para medir el flujo de calor, que es la tasa de transferencia de calor por unidad de área. El flujo de calor se puede calcular dividiendo la salida de voltaje por la resistencia térmica y el área del dispositivo.

Los termopares utilizan la radiación infrarroja como medio de transferencia de calor y también se utilizan para la medición de temperatura sin contacto.

La radiación infrarroja es radiación electromagnética con longitudes de onda entre 700 nm y 1 mm, que corresponde a temperaturas entre 300 K y 5000 K. La radiación infrarroja es emitida por cualquier objeto con una temperatura distinta de cero y puede ser detectada por un sensor de termopar.

Tipos de sensores de termopar

Un sensor de termopar es un dispositivo que utiliza uno o más termopares para medir la temperatura o la radiación infrarroja de un objeto o fuente.

Los sensores de termopar se basan en principios de medición sin contacto y tienen varias ventajas sobre los sensores basados en contacto, como mayor precisión, tiempo de respuesta más rápido, rango más amplio y menor mantenimiento.

Existen diferentes tipos de sensores de termopar, dependiendo del número, configuración y material de los termopares, así como del diseño del absorbente de infrarrojos y del filtro. Algunos de los tipos comunes de sensores de termopar son:

• Sensor de termopar de un solo elemento: Este tipo de sensor tiene solo un termopar con una sola unión caliente y una sola unión fría. La unión caliente está unida a un absorbente de infrarrojos delgado, generalmente una membrana micro-mecanizada en un chip de silicio. La unión fría está conectada a un disipador de calor o a una temperatura de referencia. El sensor mide la diferencia de temperatura entre las uniones caliente y fría, que es proporcional a la radiación infrarroja absorbida por la membrana. Este tipo de sensor es adecuado para medir niveles bajos a medios de radiación infrarroja y tiene un tiempo de respuesta rápido.

• Sensor de termopar de múltiples elementos: Este tipo de sensor tiene varios termopares dispuestos en paralelo o en serie. Cada termopar tiene sus propias uniones caliente y fría, que están conectadas a un absorbente de infrarrojos común y a un disipador de calor común. El sensor mide la suma de las salidas de voltaje de cada termopar, que es proporcional a la radiación infrarroja total absorbida por la membrana. Este tipo de sensor es adecuado para medir niveles altos de radiación infrarroja y tiene una alta sensibilidad.

• Sensor de termopar en matriz: Este tipo de sensor tiene una matriz de termopares dispuestos en filas y columnas en un sustrato. Cada termopar tiene sus propias uniones caliente y fría, que están conectadas a absorbentes de infrarrojos individuales y disipadores de calor. El sensor mide la salida de voltaje de cada termopar por separado, que es proporcional a la radiación infrarroja local absorbida por cada absorbente. Este tipo de sensor puede crear una imagen bidimensional de la distribución de radiación infrarroja y puede detectar la posición, forma y movimiento de un objeto.

• Sensor de termopar pirotérmico: Este tipo de sensor combina un material pirotérmico con un termopar. Un material pirotérmico es un material que genera una carga eléctrica cuando se calienta o se enfría. El material pirotérmico está unido a las uniones calientes de los termopares, mientras que las uniones frías están conectadas a un disipador de calor. El sensor mide la salida de voltaje de los termopares más la salida de carga del material pirotérmico, que es proporcional a la tasa de cambio de la radiación infrarroja absorbida por el material. Este tipo de sensor puede detectar cambios rápidos en la radiación infrarroja y puede medir tanto temperaturas estáticas como dinámicas.

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