1

Resumen- En siguiente trabajo se analizará el funcionamiento,

aplicaciones, virtudes y defectos de uno de los sensores de

temperatura más comúnmente utilizados a nivel industrial: la

termocupla. Se desarrollará la importancia de las mismas en el campo

de la geología, particularmente el caso de relevamiento de

temperaturas en una zona volcánica.

I. I�TRODUCCIÓ�

n el campo de la medición una de las propiedades de

mayor interés en poder cuantificar es la temperatura. Esta

importancia radica en el hecho de que la temperatura es uno de

los factores que afecta al comportamiento de los sistemas en

general.

A lo largo de la historia se han desarrollado numerosos

instrumentos de medición de temperatura, al igual que diversas

escalas de la misma.

Todos estos instrumentos se basan en alguna propiedad

termométrica capaz de ser apreciada. En el caso del

termómetro, el elemento más conocido para esta aplicación es

la densidad del mercurio, que se ve afectada dependiendo de la

temperatura a la que este es sometido.

Dentro del conjunto de los instrumentos de medición de

temperatura se destacan el termistor y la termocupla. Estos

instrumentos son capaces de convertir la energía térmica en

energía eléctrica, y por eso se conocen como transductores.

La supremacía que tienen las termocuplas a nivel industrial

sobre otros instrumentos de medida térmica se debe a que se

pueden desarrollar sistemas automáticos que gestionen el

funcionamiento de la aplicación dependiendo de las señales

eléctricas que estos instrumentos producen. Es por esta razón

que el conocimiento acerca de las cualidades de las

termocuplas es de fundamental importancia y constituye el

objetivo de este texto.

II. BASES DEL FU�CIO�AMIE�TO

La termocupla basa su comportamiento en los principios

establecidos dentro del campo de la termoelectricidad. Entre

estos principios se destaca por un lado el efecto Seebeck, el

efecto Peltier y el efecto Thompson, los cuales se encuentran

íntimamente relacionados y componen procesos reversibles; y

por otro lado el conocido efecto joule que esta presente en

cualquier movimiento de carga a través de un material.

Efecto Seebeck El efecto Seebeck establece que si, dada una unión entre dos

materiales conductores homogéneos y distintos entre sí, se

somete a distintas temperatura los correspondientes puntos de

unión (junturas) se establece una diferencia de potencial entre

esos dos puntos(figura 1) 1.

Efecto Peltier El efecto Peltier corresponde al efecto inverso del efecto

Seebeck, es decir, establece que ante la unión de dos

materiales conductores homogéneos y distintos entre sí, si

éstos son sometidos a una corriente eléctrica se produce una

diferencia de temperaturas entre las junturas(figura 2) 2.

Las explicaciones de estos fenómenos están vinculadas a la

naturaleza química de los materiales y pueden ser explicadas a

partir de la mecánica cuántica. Consideremos dos materiales

1,2 Referencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Seebeck

TERMOCUPLAS

Octavio Rodríguez – Pablo Doglio

Universidad de la República - Facultad de Ingeniería - Uruguay, Montevideo

Curso de Medidas Eléctricas (2011) - Tutor: Daniel Slomovitz

E

[Figura[1]-efecto Seebeck]

[Figura[2]-efecto Peltier]

2

distintos, conductores, unidos por los extremos: la propiedad

de conductividad se atribuye a la existencia de portadores de

carga libres en el material. Cada uno de los materiales tiene

una concentración de carga libre por unidad de volumen. Estas

concentraciones dependen de la temperatura a partir de la

ecuación Richardson- Dushman:

kT

w

eTAn−

= .. 2 ]1.[ec

Donde T es la temperatura en grados Kelvin, K es la constante

de Boltzmann, w: función de trabajo del material3

A su vez la corriente está íntimamente relacionada con esta

concentración de electrones libres. Los electrones circulan de

forma natural de las zonas de mayor densidad a las de menor.

Cuando la temperatura aumenta, la concentración aumenta,

entonces los electrones circulan de la juntura caliente a la

juntura fría.

Una forma de asociar el fenómeno para asimilarlo mejor es

a partir de la termodinámica. En la termodinámica las

partículas de los fluidos se desplazan naturalmente del medio

de mayor densidad al de menor densidad tal como lo hacen los

electrones en el efecto Seebeck. En el caso del efecto Peltier

los electrones viajan, mediante una imposición externa, de una

región de baja densidad a otra de alta densidad, de forma que

se contraen y aumentan la temperatura de la región al igual que

un fluido cuando es comprimido.

El efecto Peltier se puede ver en sistemas de refrigeración

termoeléctrica.

En el caso particular de la termocupla el efecto que la

determina es el efecto Seebeck. Este es el que describe el

comportamiento de un transductor de temperatura a corriente o

diferencia de potencial. Para este caso la ecuación que se

obtiene a partir de los argumentos cuánticos que describe el

comportamiento del material es:

+=

−

b

a

n

n

e

KTPTU ln)(

]2.[ec

Donde P es una constante que depende de la carga del

electrón y las funciones de trabajo de los materiales, ni es la

concentración de electrones del material i. Se puede obtener la

expresión de Seebeck para el caso de dos materiales unidos en

3 La función de trabajo se define como la cantidad

minima de energía necesaria para extraer un electrón

enlazado a un átomo. Referencia: http://en.wikipedia.org//wiki//Work_function

los extremos ( dos junturas):

)()()()(

ln)(

)()(

lnln)()(

2121

2121

2121

TTSTVTUTU

n

n

e

TTKTUTU

n

n

e

KTP

n

n

e

KTPTUTU

e

b

a

b

a

b

a

−=∆=−

−=−

−−

+=−

−

−−

]3.[ec

Donde eS se conoce como constante de Seebeck, más allá

de presentar una leve dependencia con respecto a la

temperatura debido a la dependencia de las concentraciones.

Si volvemos al esquema eléctrico que describe el efecto

Seebeck se puede verificar que coincide con el de la figura 44.

Si se conoce el valor de Tref y la relación existente entre la

diferencia de potencial establecida, se podría determinar el

valor de la temperatura T. Este procedimiento (actualmente en

desuso) se logra sensando la temperatura Tref por algún otro

medidor de temperatura o imponiendo la temperatura en algún

valor conocido de forma que a partir de la ecuación de

Seebeck se puede obtener el valor de la temperatura T.

Cabe destacar que en algunas aplicaciones interesa medir la

diferencia entre dos temperaturas, y en estos casos no habría

necesidad de medir una temperatura de referencia.

Un efecto que participa en estos sistemas, al igual que en todos

aquellos en los cuales la corriente eléctrica circula a través del

material, es el efecto Joule. El efecto Joule está asociado a la

resistencia eléctrica del material, que cuando circula una

intensidad se produce una disipación de calor que corresponde

al producto de dicha resistencia con el cuadrado de la

intensidad que la atraviesa. Esta energía puede afectar la

temperatura de la punta, por lo que si se pretende utilizar como

sensor de la misma es preciso que la resistencia del circuito

cerrado sea lo más grande posible. De esta forma la corriente

se minimiza y el efecto joule en la juntura se puede despreciar.

4

Referencia:http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_03/termocuplas.pdf

[Figura[3]]

[Figura[4]- esquema de termocupla]

3

Leyes de las Termocuplas5

Ley del metal intermedio

Dados dos metales homogéneos Ay B cuyas junturas se

encuentran a ciertas temperaturas T1 y T2 dadas como se

muestra en la figura. Si se incorpora un tercer material en serie

en el circuito entre los puntos de corte mostrados en la figura

6. Si la temperatura se mantiene uniforme a lo largo de este

nuevo material el sistema se mantendrá incambiado desde el

punto de vista eléctrico, es decir la diferenta de potencial entre

las junturas al igual que la intensidad de corriente inducida

serán las mismas que antes(figura 5).

Ley de la temperatura intermedia

Dado un termopar que esta sometido a una diferencia de

temperatura en sus junturas T2-T1 el cual genera una

diferencia de potencial V1.Dado el mismo termopar sometido

a una diferencia de temperaturas T2-T3 que genera una

diferencia de potencial V2

Si consideramos el sistema compuesto por el mismo termopar

sometido a un diferencia de temperatura T3-T1 la diferencia

de potencial generada coincide con V1+V2 la suma de los

voltajes parciales mencionados anteriormente (figura 6).

5 Referencia: http://ajunexpo.blogspot.com/2008/07/sensores-generadores.html

Ley del potencial aditivo

Dado un termopar formado por los materiales A y B sometido

a una diferencia de temperaturas T1 y T2. Sea V1 el voltaje

generado.

Dado un termopar formado por los materiales B y C sometido

a una diferencia de temperaturas T1 y T2. Sea V2 el voltaje

generado.

Si consideramos el sistema formado por un termopar de

materiales A y C la diferencia de potencial generado coincide

con la suma de los voltajes antes mencionados(figura 7).

Ley de distribución de Temperaturas

[Figura[5]-Ley de metal

Intermedio]

[Figura[6]-Ley de la

temperatura intermedia]

[Figura[7]-Ley de potencial

aditivo]

4

La diferencia de potencial generada entre los metales por

efecto Seebeck depende únicamente de la naturaleza de los

materiales y de la diferencia de temperaturas entre las junturas.

En particular no depende de la distribución de temperatura a lo

largo de los materiales(figura 8).

Funcionalidades de la termocupla Una termocupla es en simples términos un sensor de

temperatura.

Su amplio rango de temperatura en el que opera, su fácil

fabricación y su larga durabilidad lo han convertido en el

sensor más utilizado industrialmente.

Una termocupla esta formada básicamente por dos alambres

conductores de distinto material, los cuales son unidos

mediante soldadura.

Al exponer la unión a una diferencia de temperatura

(∆T) ésta genera un pequeño voltaje (que aumenta a

medida que la temperatura sube)

Más allá de la base teórica del funcionamiento de la

termocupla, la implementación práctica de la misma difiere

sustancialmente en el resultado obtenido por Seebeck. Se

puede probar a partir de la Ley del Potencial Aditivo que la

diferencia de potencial medido entre los extremos de una

juntura sola coincide con el que rige la ecuación de Seebeck si

es que se cumple que las junturas entre los materiales y los

elementos de medida sean iguales entre si e iguales al la

juntura de temperatura T2(ver figura 1).

Para construir una termocupla es necesario solamente soldar

dos alambres de distinto material. Adicionalmente algunas

termocuplas pueden llegar a tener:

- cápsula o vaina: tubo de acero inoxidable, el cual

constituye el recubrimiento de los alambres y dota de

una mayor fortaleza al instrumento

- cabezal: caja de aluminio que protege a la unión entre

los alambres.

Linealización

Una vez construida la termocupla, para llegar a obtener un

valor de temperatura a partir de ella es necesario un

instrumento de medición que pueda interpretar la tensión

obtenida de las terminales de la termocupla y mostrar en el

display el valor de temperatura a la que la termocupla esta

sometida.

Para esto se hace necesario saber cual es la relación entre la

temperatura aplicada a la termocupla y la diferencia de

potencial que la misma genera.

Esta relación o dependencia resulta no ser exactamente lineal

(ec.2), por ende el medidor utilizado tendrá que poder

referirse a tablas que debe poseer en memoria y con el valor de

voltaje obtenido indicar a que temperatura corresponde (casos

en los que se pretende muy alta exactitud) 6.

Compensación de cero

El principal inconveniente práctico de una termocupla es la

6 Referencia: http://www.gnceros.com.ar/phpBB/viewtopic.php?f=6&t=48

[Figura[8]-Ley de distribución de

temperatura]

[Figura[9]-Ejemplo Termocupla]

[Figura[10]-Zona de aproximación lineal]

5

compensación de cero. Este fenómeno se produce cuando se

tiene que inevitablemente empalmar en algún punto los cables

de la termocupla con un conductor normal de cobre (figura

11).

En el lugar de empalme se generarán dos nuevas

termocuplas, puntos en los que creará un voltaje proporcional

a la temperatura en la que se encuentran (típicamente

temperatura ambiente). El objetivo de la compensación de cero

es descartar esa diferencia de potencial (lo que se resume a

descartar Ta). Para lograrlo clásicamente se colocaban los

empalmes creados a cero grados Celsius para que generen un

voltaje nulo en la unión. En la actualidad este llamado “baño

de hielo” es reemplazado por otro sistema. El instrumento

encargado de medir la diferencia de potencial en la termocupla

viene equipado con un sensor de temperatura independiente,

el cual es colocado en el empalme con el cobre para medir la

temperatura en ese punto. Luego esta medición es usada para

realizar la compensación y así obtener la temperatura real.

Dentro de los inconvenientes que presenta la termocupla es

de importancia resaltar que en ocasiones si la termocupla se

encuentra a una distancia considerable del instrumento de

medición llevar los cables hasta este resulta demasiado costoso

(un ejemplo son termocuplas con aleación de platino, material

de muy alto precio)

Para solucionar este problema se crearon los cables

compensados.

Cables compensados Este tipo de cables tienen el mismo coeficiente de Seebeck

que la termocupla, pero están hechos con un material de menor

precio.

Por sus características al empalmar el mismo con el material

de la termocupla no se producen nuevas termocuplas (como

sucedería con el cobre por ej)

De esta manera se puede realizar la conexión entre la

termocupla y el instrumento de medición sin generar

termocuplas parásitas y abaratar costos.

A tener en cuenta - los cables compensados tienen polaridad, la cual si no es

respetada ocasionará errores en la lectura de la

termocupla (error muy frecuente)

- los cables compensados no son universales: dados un tipo

de termocupla, se escoge un cable compensado para ella

- al comprar un cable compensado se debe consultar al

proveedor los colores que identifican la polaridad (+ y -),

ya que no hay una norma internacional para el color de

los mismos.

Clasificación termocuplas Si se quiere emplear una termocupla lo primero que se

necesita es saber dentro de que rango de temperaturas

ésta tendrá que operar. De acuerdo a esto se elegirá el

tipo de termocupla.

Por ej (tabla(1)):

- las termocuplas tipo J se usan en la industria de

fundición de metales a bajas temperaturas, plástico y

goma.

- Las tipo K se usan en la fundición de cobre y materiales

que se funden a menos de 1300 ºC.

- Las tipo T fueron muy utilizadas en la indrustria de los

alimentos (en la actualidad su uso en esta área se

discontinuo)

- Las tipo R, S y B se usan en la fundición de acero7

Tipo Cable + Aleación

Cable – Aleación

Rango ºC Se 20ºC (µV/ºC)

J Hierro Cobre/nikel -180 / 750 52.3

K Níkel/cromo Nikel/alumin

io

-180/1372 40.8

T Cobre Cobre/nikel -250 / 400 42.8

R 87% platino

13% rhodio

Platino 0 / 1767 5.8

S 90% platino

10% rhodio

Platino 0 / 1767 6.4

B 70% platino

30% rhodio

94% platino

6% rhodio

0 / 1820 0.05

Verificación de instrumento de medición

Para verificar el correcto funcionamiento del instrumento

de medición se puede hacer un experimento sencillo:

Se genera un cortocircuito o puente en la entrada de la

termocupla, de manera que la tensión que medirá el

instrumento (teniendo éste compensación de cero) será la

provocada por las termocuplas parásitas que se generaron

en la unión de los alambres de la termocupla con el

material con el que se realizó el corto circuito (figura 12).

Si el instrumento se encuentra en buenas condiciones

deberá mostrar en el display la temperatura ambiente

(temperatura a la cual las termocuplas parásitas están

sometidas).

7

Referencia:http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_03/termocuplas.pdf

[Figura[11]- Empalme

Termocupla con cobre]

[Tabla[1]- Tipos de termocuplas]

6

Medición de temperatura (con voltímetro)

Para medir la temperatura con un voltímetro se debe realizar el

siguiente procedimiento:

- Se mide el voltaje que entrega la termocupla, V8.

- Con un sensor distinto de temperatura (ej. termómetro)

se mide temperatura ambiente (temperatura de contacto

de las puntas del voltímetro con los cables de la

termocupla - donde se generan “termocuplas parasitas”

según lo explicado anteriormente). T= Ta

- Ver en la tabla a que voltaje Va corresponde la

temperatura Ta

- Se realiza la operación V-Va y con el valor obtenido se

ve en la tabla a que temperatura corresponde.

Termocuplas en la Vulcanología

Uno de los parámetros más importantes de relevar en el

estudio de la actividad volcánica es la temperatura. Esta

actividad no es sencilla ya que frecuentemente se encuentran

temperaturas muy altas y en ambientes muy agresivos. Las

Termocuplas son capaces de operar satisfactoriamente en estas

condiciones, soportando temperaturas de hasta 1800ºc y

violentas explosiones y fugas de gas. Para lograr esto se deben

tener consideraciones elementales como que el encapsulado

de dicha termocupla sea resistente a las condiciones

mencionadas. La medida de temperaturas en una zona

volcánica activa presenta múltiples aspectos, que abarcan

desde la medida de temperatura de la lava hasta la de un lago o

roca en las inmediaciones. Las medidas de temperatura que

suelen hacerse en un volcán se pueden reducir al control de

temperatura de las fumarolas y las anomalías térmicas que se

presentan en lagos termales y suelos calientes. En estos

últimos dos casos la precaución requerida no es tal relevante

sin embargo en el caso de las fumarolas los riesgos son

8 Referencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Termopar

mayores. Las fumarolas se producen cuando existen cámaras

mágmicas o residuos de erupciones previas que mantienen

fluidos a altas presiones.

Actualmente es preferible realizar la compensación de la

temperatura de referencia de la termocupla utilizando un 1

conversor analógico-digital(Ver figura 13)

Para lograr esto, la longitud del termopar debe ser suficiente

para colocar la electrónica de medida en una zona de baja

temperatura. La compensación de cero consiste, como ya se

menciono, en sumar las incidencias de las junturas entre la

termocupla y el instrumento de medida. Esto se realiza

automáticamente incluyendo un pequeño circuito activo que

proporciona una señal proporcional a la temperatura a la que

se encuentra. Para conseguir que las uniones del termopar se

encuentran a la misma temperatura se disponen ambas sobre

una masa térmica (ver figura 14). La resta de las señales se

realiza mediante el circuito de la figura 15 a través de un

amplificador operacional9.

Las relaciones existentes en el sistema son:

9 Referencia: http://www.volcanesdecanarias.com/interna/Educacion/downl

oad/Instrumentacion/08_OTRAS%20TEC=ICAS.pdf

Corto circuito

[Figura[12]-Verificación

de Instrumento]

[Figura[14]- Compensación analógica]

[Figura[13]-compensación digital]

7

ATrefR

RTref

R

R

R

RSeTSe

R

R

R

RV

VsR

RV

R

R

R

RV

R

VoV

R

V

R

VVs

TrefAVsTrefTSeV

.2

0)1

1

0

2

0(.).1

1

0

2

0(0

.2

01).1

1

0

2

0(0

0

1

1

1

2

1

.)(1

−+++++−=

−++=

−+=

−

=−−=

]4.[ec

Donde TrefAVs .= es el modelo lineal del termómetro

LM35. Determinando las resistencias para que el termino que

depende de Tref se anule se obtiene la compensación

deseada.

De esta forma se puede obtener la temperatura medida en

forma de señal analógica a diferencia del caso en el que se

utiliza el conversor analógico-digital.

Como se mencionaba al principio es preciso proteger el

termopar de las condiciones violentas, esto también incluye la

corrosión y esfuerzos mecánicos. Los termopares son a

menudo introducidos por grietas estrechas donde son exigidos

mecánicamente por lo que el envainado debe soportar estos

esfuerzos.

En la figura 15 se puede ver un esquema de conexión en

donde T representa la termocupla, envainada en un material

resistente a la corrosión de los gases de la fumarola, C es un

cable de conexión adecuadamente protegido y E es la unidad

de medida, donde el observador realiza las medidas en un

ambiente lo mas seguro posible.

De esta forma es posible, mediante el uso de las

termocuplas y otros análisis complementarios, diagnosticar el

estado de un volcán y hasta pronosticar una posible evolución

del mismo sin grandes costos de equipo y sin someter a los

vulcanólogos a riesgos innecesarios10.

Referencias

10 Referencia:

http://www.volcanesdecanarias.com/interna/Educacion/downl

oad/Instrumentacion/08_OTRAS%20TEC=ICAS.pdf

[1] http://en.wikipedia.org//wiki//Work_function [2] http://es.wikipedia.org/wiki/Termopar [3] http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Seebeck [4] http://tcofisica.blogspot.com/ [5] http://www.volcanesdecanarias.com/interna/Educ

acion/download/Instrumentacion/08_OTRAS%20TEC�ICAS.pdf

[6] http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_03/termocuplas.pdf

[7] www.desi.iteso.mx/elec/instru/seebeck.doc [8] http://www.gnceros.com.ar/phpBB/viewtopic.php

?f=6&t=48 [9] http://ajunexpo.blogspot.com/2008/07/sensores-

generadores.html

[Figura(15)]