Thermocouples are formed when two dissimilar metals are joined together to form a junction. An electrical circuit is completed by joining the other ends of the dissimilar metals together to form a second junction. A current will flow in the circuit if the two junctions are at different temperatures as shown in Fig. 1a.

The current flowing is the result of the difference in electromotive force developed at the two junctions due to their temperature difference. In practice, the voltage difference between the two junctions is measured; the difference in the voltage is proportional to the temperature difference between the two junctions. Note that the thermocouple can only be used to measure temperature differences. However, if one junction is held at a reference temperature the voltage between the thermocouples gives a measurement of the temperature of the second junction.

Three effects are associated with thermocouples. They are as follows:

1. Seebeck effect. It states that the voltage produced in a thermocouple is proportional to the temperature between the two junctions.

2. Peltier effect. It states that if a current flows through a thermocouple one junction is heated (puts out energy) and the other junction is cooled (absorbs energy).

3. Thompson effect. It states that when a current flows in a conductor along which there is a temperature difference, heat is produced or absorbed, depending upon the direction of the current and the variation of temperature.

In practice, the Seebeck voltage is the sum of the electromotive forces generated by the Peltier and Thompson effects. There are a number of laws to be observed in thermocouple circuits. Firstly, the law of intermediate temperatures states that the thermoelectric effect depends only on the temperatures of the junctions and is not affected by the temperatures along the leads. Secondly, the law of intermediate metals states that metals other than those making up the thermocouples can be used in the circuit as long as their junctions are at the same temperature, i.e., other types of metals can be used for interconnections and tag strips can be used without adversely affecting the output voltage from the thermocouple. The various types of thermocouples are designated by letters. Tables of the differential output voltages for different types of thermocouples are available from manufacturer’s thermocouple data sheets. Table 1 lists some thermocouple materials and their Seebeck coefficient. The operating range of the thermocouple is reduced to the figures in brackets if the given accuracy is required. For operation over the full temperature range the accuracy would be reduced to about ±10 percent without linearization.

Thermopile is a number of thermocouples connected in series, to increase the sensitivity and accuracy by increasing the output voltage when measuring low temperature differences. Each of the reference junctions in the thermopile is returned to a common reference temperature as shown in Fig. 1b.

Radiation can be used to sense temperature. The devices used are pyrometers using thermocouples or color comparison devices.

Pyrometers are devices that measure temperature by sensing the heat radiated from a hot body through a fixed lens that focuses the heat energy on to a thermopile; this is a noncontact device. Furnace temperatures, for instance, are normally measured through a small hole in the furnace wall. The distance from the source to the pyrometer can be fixed and the radiation should fill the field of view of the sensor. Figure 1c shows the focusing lens and thermocouple set up in a thermopile.

Figure 2 shows plots of the electromotive force (emf) versus temperature of some of the types of thermocouples available.

Los termopares o termocuplas se forman cuando dos metales diferentes se unen para formar una unión. Un circuito eléctrico se completa uniendo los otros extremos de los metales diferentes para formar una segunda unión. Una corriente fluirá en el circuito si las dos uniones están a diferentes temperaturas, como se muestra en la figura 1a.

Fig. 1a - (a) Un circuito de termocupla, (b) termocuplas conectados para formar una termopila y (c) enfocando los rayos EM en una termopila.

La corriente que fluye es el resultado de la diferencia en la fuerza electromotriz desarrollada en las dos uniones debido a su diferencia de temperatura. En la práctica, se mide la diferencia de voltaje entre las dos uniones; la diferencia de voltaje es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones. Tenga en cuenta que el termopar solo se puede utilizar para medir diferencias de temperatura. Sin embargo, si una unión se mantiene a una temperatura de referencia, el voltaje entre los termopares da una medida de la temperatura de la segunda unión.

Figura . Sensores a termopila, con diseños especiales incluyen lentes o reflectores incorporados para mejorar el rendimiento de la detección, construcciones isotérmicas o ventanas duales de banda estrecha para muchas aplicaciones de medición de temperatura sin contacto de vanguardia.

Hay tres efectos asociados con los termopares. Son los siguientes:

1. Efecto Seebeck. Establece que el voltaje producido en un termopar es proporcional a la temperatura entre las dos uniones.

2. Efecto Peltier. Establece que si una corriente fluye a través de un termopar, una unión se calienta (produce energía) y la otra unión se enfría (absorbe energía).

3. Efecto Thompson. Establece que cuando fluye una corriente en un conductor a lo largo del cual hay una diferencia de temperatura, se produce o absorbe calor, según la dirección de la corriente y la variación de temperatura.

En la práctica, el voltaje de Seebeck es la suma de las fuerzas electromotrices generadas por los efectos Peltier y Thompson. Hay una serie de leyes que deben observarse en los circuitos de termopar. En primer lugar, la ley de las temperaturas intermedias establece que el efecto termoeléctrico depende solo de las temperaturas de las uniones y no se ve afectado por las temperaturas a lo largo de los cables. En segundo lugar, la ley de los metales intermedios establece que se pueden utilizar en el circuito otros metales distintos a los que forman los termopares siempre que sus uniones estén a la misma temperatura, es decir, se pueden utilizar otros tipos de metales para las interconexiones y se pueden utilizar borneras sin afectar adversamente el voltaje de salida del termopar. Los distintos tipos de termopares se designan con letras.

Tabla 1 . Rangos de funcionamiento para termopares y coeficientes de Seebeck

Las tablas de los voltajes de salida diferenciales para diferentes tipos de termopares están disponibles en las hojas de datos de termopares del fabricante. La Tabla 1 enumera algunos materiales de termopar y su coeficiente de Seebeck. El rango de operación del termopar se reduce a las cifras entre paréntesis si se requiere la precisión dada. Para el funcionamiento en todo el rango de temperatura, la precisión se reduciría a aproximadamente ± 10 por ciento sin linealización.

La termopila es una serie de termopares conectados en serie, para aumentar la sensibilidad y precisión al aumentar el voltaje de salida al medir diferencias de baja temperatura. Cada una de las uniones de referencia en la termopila regresa a una temperatura de referencia común como se muestra en la figura 1b.

La radiación se puede utilizar para detectar la temperatura. Los dispositivos utilizados son pirómetros que utilizan termopares o dispositivos de comparación de colores.

Los pirómetros son dispositivos que miden la temperatura al detectar el calor irradiado por un cuerpo caliente a través de una lente fija que enfoca la energía térmica en una termopila; este es un dispositivo sin contacto. Las temperaturas del horno, por ejemplo, se miden normalmente a través de un pequeño orificio en la pared del horno. La distancia desde la fuente al pirómetro se puede ajustar y la radiación debe llenar el campo de visión del sensor. La Figura 1c muestra la lente de enfoque y el termopar instalados en una termopila.

La figura 2 muestra gráficas de la fuerza electromotriz (fem) en función de la temperatura de algunos los tipos de termocuplas o termopares disponibles.

Figura 2. Fuerza electromotriz de salida de la termocupla versus temperatura para varios tipos.

Thermocouples have several advantages over other methods of measuring temperature, in that they are very small in size, have a low time response (10/20 ms compared to several seconds for some elements), are reliable, have good accuracy, a wide operating temperature range, and they can convert temperature directly into electrical units. The disadvantages are the need for a reference and the low signal amplitude. Thermocouple signals can be amplified with a cold junction reference close to the amplifier and the signal transmitted in an analog or digital format to a controller, or the thermocouple can be directly connected to the controller for amplification and cold junction correction. This method is sometimes used to eliminate the cost of remote amplifiers and power supplies. Controller peripheral modules are available for amplification of several thermocouple inputs with cold junction correction; Fig. 3a shows a differential connection between the amplifier and the thermocouple as a twisted pair of wires that is screened to minimize noise and the like. Figure 3b shows other configurations that can be used to connect thermocouples for temperature averaging and differential temperature measurements.

Los termopares o termocuplas tienen varias ventajas sobre otros métodos de medición de temperatura, ya que son de tamaño muy pequeño, tienen una respuesta de tiempo baja (10/20 ms en comparación con varios segundos para algunos elementos), son confiables, tienen buena precisión, un rango de temperatura de funcionamiento amplio, y pueden convertir la temperatura directamente en unidades eléctricas. Las desventajas son la necesidad de una referencia y la baja amplitud de la señal. Las señales de termopar se pueden amplificar con una referencia de unión fría cerca del amplificador y la señal se transmite en un formato analógico o digital a un controlador, o el termopar se puede conectar directamente al controlador para amplificación y corrección de la unión fría. Este método se utiliza a veces para eliminar el costo de los amplificadores y fuentes de alimentación remotos. Los módulos periféricos del controlador de procesos están disponibles para la amplificación de varias entradas de termopar con corrección de unión fría.

Fig. 3. Different types of thermocouple connections to an op-amp (a) direct using twisted pair to a reference and amplifier and (b) for average temperature measurement and differential temperature measurement. Diferentes tipos de conexiones de termopar a un amplificador operacional (a) usando par trenzado directo a una referencia y amplificador y (b) para medición de temperatura promedio y medición de temperatura diferencial.

La figura 3a muestra una conexión diferencial entre el amplificador y el termopar como un par trenzado de cables apantallados para minimizar el ruido y otras interferencias. La Figura 3b muestra otras configuraciones que se pueden usar para conectar termopares para mediciones promedio de temperatura y mediciones de temperatura diferencial.