Existen diversos tipos, dependiendo de los diferentes metales con los que se ha fabricado.
Introducción a la termoelectricidad
La termoelectricidad es la parte de la física termodinámica que explica las relaciones entre el flujo de calor y las corrientes eléctricas en un material.
Esta parte de la ciencia da explicación a efectos como la generación de calor en la unión de dos conductores distintos cuando circula una corriente a través de ellos o el efecto contrario, la generación de una corriente eléctrica en un conductor cuando está sometido a un gradiente de temperatura. El estudio de éstos y otros efectos eléctricos relacionados con la temperatura son en su conjunto lo que se hace llamar la termoelectricidad.
El efecto Seebeck
El primer efecto termoeléctrico descubierto fue el efecto Seebeck. El físico Thomas Johann Seebeck, que desde principio de los años 20 empezó a experimentar para encontrar una relación entre el calor y la electricidad; descubrió, en1921; que, soldando dos alambres de materiales diferentes en lazo (cobre y bismuto), y aplicando calor a uno de ellos mientras el otro se mantenía frío, se generaba un campo magnético entre ellos, y, que si este calor era aplicado a la unión de los dos metales se generaba una corriente eléctrica por ellos.
De este esquema se extrae la siguiente relación:
VAB=a xy∗(Tcaliente−Tfria )
Donde:
V AB Voltaje de salida en Va xy Coeficiente de Seebeck entre los dos materiales, x e y, expresado en V/ºK T caliente T fría Temperaturas fría y caliente de las uniones expresadas en ºK. El coeficiente Seebeck se define como la variación del voltaje en función de la temperatura:
axy=dVAB/dT
El descubrimiento de este efecto se ha utilizado para la fabricación de sensores de temperatura (también llamados termopares). Manteniendo una de las dos soldaduras entre los dos materiales a una temperatura controlada y relativamente fría; y utilizando el otro punto de unión de los materiales como detector de la temperatura de interés, creamos una diferencia de potencial medible entre los puntos A y B en relación con la diferencia de temperatura entre las uniones de los dos materiales.
Existen varios modelos de termopares dependiendo de los materiales que componen sus uniones. De esta manera existen combinaciones de: Cromo-Aluminio, Cromo-Constantán, Hierro-Constantán, Platino-Rodio, etc… Según el rango de temperatura a medir, la precisión, y demás condiciones se escogerá
uno u otro.
Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 oC a +1.372 oC y una sensibilidad 41μV/°C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación.
Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 μV/°C.
Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760oC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750oC y una sensibilidad de ~52 μV/°C. Es afectado por la corrosión.
Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300 oC. Su baja sensibilidad (10 μV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.
Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300 oCoC, pero su baja sensibilidad (10 μV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).
El termopar es el sensor de temperatura más utilizado comercialmente ya que se puede utilizar en amplios intervalos de temperatura, son muy robustos, tienen una buena exactitud (si no se quieren medir variaciones muy pequeñas), una rápida respuesta y un bajo coste.
Para los diferentes tipos de termopar existen diferentes gráficos de comportamiento.
Se puede observar que a partir de ∼ 100ºC. la linealidad prácticamente se conserva. A temperaturas más bajas hay que realizar una aproximación polinómica del valor de tensión.
Se deduce de la definición del efecto Seebeck, que no se puede medir directamente la tensión en bornes de los materiales ya que al conectar el voltímetro a este, estamos creando dos nuevas uniones en el circuito.
Estas dos nuevas uniones, generalmente de cobre, y la temperatura en su unión con los extremos del termopar hacen que varíe la tensión medida.
En este esquema vemos que la tensión que se quiere medir es la tensión V2, que es función de la tensión V1 (tensión que nos interesa), y las tensiones parásitas debidas a las uniones J2 y J3.
Es necesario pues, conocer cuáles son esas tensiones parásitas. Para ello debemos conocer la relación entre los materiales y la temperatura a la que están expuestos.
Una solución es la inserción de un cable intermedio en una de las uniones de un material igual que el del termopar del lado contrario, y aplicar un ambiente isotérmico a esas uniones nuevas.
Podemos observar que las uniones J2 y J4 son del mismo tipo (materiales) y se mantienen a la misma temperatura; por tanto sus tensiones parásitas se anulan. Por otro lado, conocemos la temperatura a la que está la unión J3, que es del mismo tipo que la unión J1 pero en este caso se encuentran a temperaturas diferentes. De esta manera tenemos la siguiente relación:
Vf =VJ1(Tc )+VJ3(Tref)
Y por lo tanto:
VJ1(Tc)=Vf VJ3(Tref)
Que es la temperatura que deseamos conocer.
La eliminación de la tensión J 3 V se realiza mediante compensación por hardware o por software. La compensación por hardware se realiza mediante una fuente de tensión contraria a la tensión J 3 V (es poco práctico y costoso). La compensación por software se realiza haciendo una medición de la temperatura isotérmica de referencia a la que está sometida J3 (mediante termistores), y haciendo el cálculo de la tensión parásita mediante un microcontrolador para restar esta en el resultado final.
La mayoría de controladores de temperatura comerciales utilizan la compensación por software para realizar la medición de temperatura en un dispositivo termopar. Así mismo también realizan los cálculos necesarios para corregir la no linealidad de estos dispositivos a bajas temperaturas.
El efecto Peltier
En 1934, el físico francés Jean Charles Peltier, en sus investigaciones sobre electricidad descubrió que, si se hace circular una corriente eléctrica por dos metales diferentes soldados en lazo, en sus uniones se genera o absorbe calor dependiendo del sentido de esa corriente. Esto es lo que se llamó más adelante efecto Peltier.
Este efecto es inverso al efecto Seebeck.
Si se aplica una tensión V IN que haga que circule una corriente a través del circuito se consigue que en la unión de materiales correspondiente al terminal A se absorba calor, mientras que en la unión correspondiente al terminal B se desprenda. Si la polaridad de la fuente se invierte, el terminal que absorbía calor pasa a desprenderlo y viceversa.
La potencia absorbida o generada por el efecto Peltier ( Calor / unidad de tiempo), se puede expresar de la siguiente manera.
Q=p xy∗I ->Q=(p y− p x)∗I
Donde:
Q Potencia calorífica absorbida o generada por el efecto Peltier
p xy Coeficiente Peltier entre los dos materiales expresado en V
p x Coeficiente Peltier del material X
p y Coeficiente Peltier del material Y
I Corriente que circula por las uniones expresada en A
De esta manera el coeficiente Peltier de una unión se puede expresar como la potencia absorbida o generada por esa unión dependiendo de la corriente que circula por ella.
p xy=QI
Este efecto también se da en las soldaduras de semiconductores dopados positiva y negativamente (tipo-p y tipo-n).
El efecto Thomson
En 1851, el físico inglés William Thomson, demostró que los efectos Seebeck y Peltier estaban relacionados entre sí cuando descubrió el efecto Thomson. Este efecto explica que si un material está sometido a un gradiente de temperatura y se le somete a una corriente interna, este material intercambia calor con el medio exterior absorbiéndolo o generándolo. Este efecto se produce en un solo material sin necesidad de la soldadura de dos materiales distintos. William Thomson también fue el descubridor del 0 absoluto y el creador de la escala Kelvin de temperatura.
La potencia calorífica absorbida o generada por el efecto Thomson se expresa de la siguiente manera:
dQ/d x =t* I( dT/ x)
Donde:
dQ/dx ->Potencia calorífica generada o absorbida por segmento de material.
t ->Coeficiente Thomson.
I ->Densidad de corriente eléctrica que circula por el conductor.
dT/d x
Gradiente de temperatura
Los coeficientes Seebeck, Peltier, y Thomson están relacionados entre sí mediante las siguientes
ecuaciones:
pab=Alpha* abT
ta−tb=T (dAlpha*ab/dT)
El efecto Joule
Para lo que a nuestro proyecto concierne también cabe destacar y tener en cuenta lo que se hace llamar el efecto Joule, ya que sus efectos se oponen a los efectos de absorción de calor de los demás efectos termoeléctricos.
James Prescott Joule estudió este efecto en la década de 1860 y descubrió que, si por un material circula una corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones en movimiento chocando con los demás átomos es transformada en calor. Esto significa que cualquier material por el que circule una corriente se calienta en mayor o menor medida en función de su resistividad y de la magnitud de dicha corriente.
De esta manera:
Q=I^2∗R∗t P= dQ7dt =R∗I 2=V ^2/R
Donde:
Q: Energía calorífica generada por el efecto Joule
I : Corriente medida en A
R : Resistencia eléctrica del conductor en W
t : Tiempo en sg.
P: Potencia disipada por efecto Joule
V: Diferencia de potencial en extremos del conductor
Microscópicamente el efecto Joule se calcula mediante la siguiente integral:
P=∭J∗E dV
Donde:
E: Campo eléctrico
J : Densidad de corriente
Adaptación de los termopares a la electrónica
Para trabajar con termopares se debe de tener en cuenta que su comportamiento no es lineal. Esto es un problema, pero se resuelve con tablas de valores que nos proporcionan los fabricantes generados por los termopares para diferentes temperaturas.
Estos valores se deben de introducir dentro del programa del microcontrolador o pc que adquiera los datos del termopar para adecuar la señal a valores de temperatura. Los equipos industriales de adquisición de datos suelen venir con las tablas, sólo se tienen de decir al programa que tipo de termopar tiene en la entrada y solucionado.
Es muy importante, importantísimo, el tratamiento previo de la señal adquirida, ya que la señal generada por los termopares es muy débil. En los PLC´s industriales no tiene este problema, pero si trabajamos con microcontroladores, debemos crear una etapa de adquisición de datos medio decente con amplificadores operacionales, más adelante lo implementaré.
gracias por la ayudarme me sirvio para entender estos dos terminos
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