Los termopares se basan en el principio de medición comparativa y están formados por dos conductores metálicos de distintos materiales que se sueldan en la punta. Según el emparejamiento de materiales, tienen distintos niveles de tensión termoeléctrica y son adecuados para distintos rangos de temperatura. Los más utilizados son los termopares tipo K y los termopares tipo J.
Normalmente, el termopar está formado por una combinación de dos materiales con diámetros que van de 0,2 a 5 mm. Cuando se utilizan materiales nobles como el rodio o el platino, estas dimensiones oscilan entre 0,1 y 0,5 mm. A la hora de seleccionar un material de termopar, hay que procurar que tenga un alto factor Seebeck y que la temperatura afecte lo menos posible a su valor para conseguir una característica lineal. El material del termopar adecuado se selecciona en función del rango de la temperatura medida.
La carcasa de la sonda está expuesta a temperaturas muy elevadas, por lo que es necesario utilizar diferentes tipos de acero. A las temperaturas más altas, el tubo de protección del termopar es de acero resistente al calor o de materiales cerámicos. El tubo protector del termopar debe ser resistente a la corrosión, al choque térmico y a los daños mecánicos. Una característica deseable para evitar la corrosión del termopar es la impermeabilidad de los gases que podrían acelerar considerablemente el proceso de envejecimiento del termopar. También hay diseños sin cubierta que se utilizan para reducir los errores dinámicos. Para mediciones especiales, como la temperatura de metales líquidos, vidrio o acero líquido, se utilizan diseños de termopares muy especializados.
El termopar debe ser resistente a la corrosión, al choque térmico y a los daños mecánicos. Una característica deseable para evitar la corrosión del termopar es la impermeabilidad a los gases que podrían acelerar considerablemente el proceso de envejecimiento del termopar. Los diseños sin cubierta pueden utilizarse para reducir los errores dinámicos.
Además, al seleccionar el material del termopar, hay que procurar que tenga un factor Seebeck elevado y que la temperatura afecte lo menos posible a su valor para conseguir una característica lineal.
A diferencia de la sonda de termorresistencia, el termopar puede utilizarse en un intervalo de temperaturas mucho más amplio. Además, los termopares son más robustos y resistentes a los esfuerzos mecánicos.
Del gran número de combinaciones metálicas posibles, se han seleccionado algunas y se han normalizado sus propiedades, en particular la serie de tensiones y las desviaciones límite admisibles. Los siguientes elementos han sido normalizados en lo que respecta a la tensión termoeléctrica y su tolerancia tanto a nivel mundial (IEC) como a nivel europeo o nacional.
Código de colores para los termopares
El principio de los termopares es el resultado del llamado efecto Seebeck. Este fenómeno se explica por la teoría de los electrones libres, según la cual los distintos tipos de conductores tienen una densidad diferente de electrones libres. En el punto de contacto de dos conductores diferentes que forman un termopar, los electrones se moverán de un conductor al otro. Un mayor número de electrones se desplazará de un conductor de mayor densidad a otro de menor densidad. La intensidad de la migración de los electrones depende de la temperatura del punto de contacto de los dos conductores, siendo también mayor cuanto mayor sea la temperatura. La fuerza electromotriz que se forma en un circuito de termopar formado por dos conductores diferentes cuyos extremos se han colocado a diferentes temperaturas viene dada por la fórmula
V=(S-SA)⋅(T2-T1)
La fuerza electromotriz resultante es del orden de unos pocos a varias decenas de microvoltios por grado Celsius.
La elección del tipo de termopar depende principalmente de la temperatura de funcionamiento. Además, debe elegirse un elemento con una tensión termoeléctrica elevada para obtener una señal de medición lo más insensible posible a las interferencias. En la siguiente tabla: Propiedades de los Termopares se enumeran los diferentes elementos junto con una breve caracterización. Las temperaturas máximas recomendadas sólo pueden asumirse como valores básicos, ya que dependen en gran medida de las condiciones de aplicación. Se refieren a un diámetro de hilo de 3 mm para la base y de 0,5 mm para los elementos nobles.
La longitud del termopar o del cable de compensación tiene una importancia secundaria debido a la baja resistencia interna. Sin embargo, en el caso de longitudes de cable más largas con una sección transversal pequeña, la resistencia del termopar o del cable de compensación puede asumir valores comparativamente altos. Para evitar errores de visualización, la resistencia interna del circuito de entrada de los dispositivos esclavos debe ser al menos 1000 veces mayor que la resistencia del termopar conectado. Sólo se pueden utilizar cables de compensación del mismo material que el propio elemento o con las mismas propiedades termoeléctricas, de lo contrario se creará un nuevo elemento en la unión. El cable de compensación debe colocarse hasta la unión de referencia. Al conectar los termopares, debe respetarse la polaridad.
Un termopar no suministra tensión si la temperatura de medición es igual a la temperatura de la unión de referencia. Si se produce un cortocircuito en un termopar o en el cable de compensación, el nuevo punto de medición se crea en el lugar del cortocircuito. Si se produce un cortocircuito de este tipo, por ejemplo en el cabezal de conexión, ya no se muestra la temperatura del punto de medición real, sino la del cabezal de conexión. Si se produce una interrupción en el circuito de medición, el dispositivo posterior muestra la temperatura de unión de referencia.