Un termopar é un dispositivo que converte o calor en electricidade usando o efecto termoeléctrico.

Consiste en varios termopares, que son pares de cables feitos de metais diferentes que xeran unha tensión cando están expostos a unha diferenza de temperatura. Os termopares están conectados en serie ou, ás veces, en paralelo para formar un termopar, que produce unha saída de tensión maior que a dun único termopar. Os termopares úsanse para varias aplicacións, como medir a temperatura, xerar enerxía e detectar radiación infravermella.

Como funciona un termopar?

Un termopar funciona segundo o principio do efecto termoeléctrico, que é a conversión directa de diferenzas de temperatura en tensión eléctrica e viceversa. Este efecto foi descuberto por Thomas Seebeck en 1826, que observou que un circuito feito de dous metais diferentes producía unha tensión cando unha unión estaba aquecida e a outra era refrigerada.

Un termopar é esencialmente unha serie de termopares, cada un dos cales consiste en dous cables de metais diferentes con gran potencia termoeléctrica e polaridades opostas.

A potencia termoeléctrica é unha medida de cantos voltios xera un material por unidade de diferenza de temperatura. Os cables están unidos en dúas unións, unha quente e outra fría. As unións quentes colócanse nunha rexión con temperaturas máis altas, mentres que as unións frías colócanse nunha rexión con temperaturas máis baixas. A diferenza de temperatura entre as unións quentes e frías causa unha corrente eléctrica que fluye polo circuito, xerando unha saída de tensión.

A saída de tensión dun termopar é proporcional á diferenza de temperatura a través do dispositivo e ao número de pares de termopares.

A constante de proporcionalidade chámase coeficiente de Seebeck, que se exprésa en voltios por kelvin (V/K) ou milivoltios por kelvin (mV/K). O coeficiente de Seebeck depende do tipo e combinación de metais usados nos termopares.

O diagrama a continuación mostra un termopar simple con dous conxuntos de pares de termopares conectados en serie.

As dúas unións superiores de termopar están a temperatura T1, mentres que as dúas unións inferiores de termopar están a temperatura T2. A tensión de saída do termopar, ΔV, é directamente proporcional á diferenza de temperatura, ΔT ou T1 – T2, a través da capa de resistencia térmica e ao número de pares de termopares. A capa de resistencia térmica é un material que reduci a transferencia de calor entre as rexións quente e fría.

Diagrama dun termopar de temperatura diferencial

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

Os termopares tamén poden construírse con máis de dous conxuntos de pares de termopares para aumentar a saída de tensión.

Os termopares tamén poden conectarse en paralelo, pero esta configuración é menos común porque aumenta a saída de corrente en lugar da saída de tensión.

Os termopares non responden á temperatura absoluta, senón só ás diferenzas de temperatura ou gradientes.

Por tanto, poden utilizarse para medir o fluxo de calor, que é a taxa de transferencia de calor por unidade de área. O fluxo de calor pode calcularse dividindo a saída de tensión pola resistencia térmica e a área do dispositivo.

Os termopares usan a radiación infravermella como medio de transferencia de calor e tamén úsanse para medición de temperatura sen contacto.

A radiación infravermella é radiación electromagnética con lonxitudes de onda entre 700 nm e 1 mm, que corresponde a temperaturas entre 300 K e 5000 K. A radiación infravermella emítense por calquera obxecto con unha temperatura non nula e pode detectarse cun sensor de termopar.

Tipos de sensores de termopar

Un sensor de termopar é un dispositivo que usa un ou máis termopares para medir a temperatura ou a radiación infravermella dun obxecto ou unha fonte.

Os sensores de termopar basean-se en principios de medición sen contacto e teñen varias vantaxes sobre os sensores de contacto, como maior precisión, tempo de resposta máis rápido, maior rango e menor manutención.

Hai diferentes tipos de sensores de termopar, dependendo do número, configuración e material dos termopares, así como do deseño do absorvedor de infravermellos e do filtro. Algunos dos tipos comúns de sensores de termopar son:

• Sensor de termopar de elemento único: Este tipo de sensor ten só un termopar cunha única unión quente e unha única unión fría. A unión quente está unida a un absorbente de infravermellos fino, xeralmente unha membrana micro-mecánica nun chip de silicio. A unión fría está conectada a un dissipador de calor ou a unha temperatura de referencia. O sensor mide a diferenza de temperatura entre as unións quente e fría, que é proporcional á radiación infravermella absorbida pola membrana. Este tipo de sensor é adecuado para medir niveis de radiación infravermella baixos a medios e ten un tempo de resposta rápido.

• Sensor de termopar de múltiples elementos: Este tipo de sensor ten múltiples termopares dispostos en paralelo ou en serie. Cada termopar ten as súas propias unións quente e fría, que están conectadas a un absorbente de infravermellos común e a un dissipador de calor común. O sensor mide a suma das saídas de tensión de cada termopar, que é proporcional á radiación infravermella total absorbida pola membrana. Este tipo de sensor é adecuado para medir niveis de radiación infravermella altos e ten unha alta sensibilidade.

• Sensor de termopar de matriz: Este tipo de sensor ten unha matriz de termopares dispostos en filas e columnas nun substrato. Cada termopar ten as súas propias unións quente e fría, que están conectadas a absorbentes de infravermellos individuais e a dissipadores de calor. O sensor mide a saída de tensión de cada termopar separadamente, que é proporcional á radiación infravermella local absorbida por cada absorbente. Este tipo de sensor pode crear unha imaxe bidimensional da distribución de radiación infravermella e pode detectar a posición, forma e movemento dun obxecto.

• Sensor de termopar piroelectrico: Este tipo de sensor combina un material piroelectrico cun termopar. Un material piroelectrico é un material que xera unha carga eléctrica cando se aquece ou refrixera. O material piroelectrico está unido ás unións quentes dos termopares, mentres que as unións frías están conectadas a un dissipador de calor. O sensor mide a saída de tensión dos termopares máis a saída de carga do material piroelectrico, que é proporcional á taxa de cambio da radiación infravermella absorbida polo material. Este tipo de sensor pode detectar cambios rápidos