Medición de temperatura

Razones para medir temperatura

• Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (solidos, líquidos y gases).

• Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia).

• variación de resistencia de semiconductor (termistores).

• La f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares).

• Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación).

• Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido de un gas, frecuencia de resonancia de un cristal).

Termómetro de vidrio• Consta de un deposito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse, se expande y sube en el tubo capilar.

• Los márgenes de los fluidos empleados son:– Mercurio -35°C hasta +280°C– Mercurio (tubo capilar lleno de gas) -35°C hasta +450°C

– Pentano -200°C hasta +20°C– Alcohol -110°C hasta +50°C– Tolueno -70°C hasta +100°C

Termómetro bimetálico• Se fundamentan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o invar laminados conjuntamente. Las laminas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices.

• α = coeficiente de expansión térmica.• = longitud de la lamina bimetálica.• S= espesor de la lamina bimetálica.

Termómetros de bulbo y capilar

• Los termómetros tipo bulbo y capilar consisten, esencialmente, en un bulbo conectado por un capilar

• a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden

• y la espiral ende a desenrollarse, moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación

• de la temperatura en el bulbo.• Hay cuatro clases de este tipo de termómetros:• • Clase I. Termómetros actuados por líquido• • Clase II. Termómetros actuados por vapor• • Clase III. Termómetros actuados por gas• • Clase IV. Termómetros actuados por mercurio

Las escalas están

normalizadas según la norma DIN 16.203

Termómetros de resistencia• La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de la

variación de resistencia• en función de la temperatura, que es propia del elemento de detección.• El elemento consiste, usualmente, en un arrollamiento de hilo muy fino

del conductor adecuado• bobinado entre capas de material aislante y protegido con un

revestimiento de vidrio o de cerámica.• El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado

"coeficiente de temperatura de• resistencia" que expresa, a una temperatura especial cada, la variación

de la resistencia en ohmios• del conductor por cada grado que cambia su temperatura.• La relación entre estos factores puede verse en la

siguiente expresión lineal:• Rt = R0 (1 + αt)• en la que:• R0 = resistencia en ohmios a 0 °C• Rt = resistencia en ohmios a t °C• α = coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo

valor entre 0 °C y 100 °C es de• 0,003850 Ω/(Ω/°C) en la Escala Práctica de Temperaturas

Internacional (IPTS-68)

• Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características:

• • Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible.

• • Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad).

• Relación lineal resistencia-temperatura.• • Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta).

• • Estabilidad de las caracterizas durante la vida ú l del material.

• Las sondas de resistencia se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos digitales de medida de resistencia.

• Un puente de Wheatstone consiste en un rectángulo formado por resistencias (o capacidades) cuyos extremos opuestos están conectados, uno a una fuente de tensión constante y el otro a un galvanómetro. Cuando por variación de una resistencia (la que está en contacto con el proceso), el galvanómetro detecta corriente nula, se dice que el puente está equilibrado. El puente de Wheatstone está dispuesto en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia al puente.

Termistores• Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas, y extremadamente grandes, para los cambios, relativamente pequeños, en la temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados en sondas y en discos.

• La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión.

• =resistencia en ohmios a la temperatura absoluta • resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia

• β= constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas.

Sensores de temperatura de semiconductor

• El sensor de temperatura de semiconductor dispone de funciones de transferencia que son proporcionales a la temperatura en °K, °C o °F. En la mayor parte de las aplicaciones, la señal de salida alimenta un comparador o un convertidor A/D para convertir los datos de temperatura a un formato digital.

• Los sensores desarrollados en este campo son analógicos y digitales con tensión de salida proporcional a la temperatura absoluta o a la temperatura en °C o °F, sensibilidad 10 mV/°C y una exactitud de ± 1 °C dentro del intervalo -55 °C a 150 °C. Hay analógicos con corriente de salida proporcional a la temperatura absoluta y sensibilidad de 1 A/°C a 3 A/°C y termostatos de -40 °C a +125 °C.

Estos sensores tienen la ventaja de ser pequeños, exactos y baratos, de modo que se prevé que aumenten, en el futuro, sus aplicaciones en la industria.

Termopares• El termopar se basa en el efecto, descubierto por Seebeek en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito cerrado formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura (figura 6.17).

• Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier (año 1834) que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de los metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson (año 1854), que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente temperaturas.

Termopares más comunes • Termopar tipo E, de Níquel-Cromo (cromel)/Cobre-Níquel (constantan). Puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la f.e.m. más alta por variación de temperatura. Es adecuado para temperaturas entre -200 °C y +900 °C. Alta sensibilidad (68 V/°C).

• Termopar tipo T, de Cobre/Cobre-Níquel (constantán). Tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Se prefiere, generalmente, para las medidas de temperatura entre -200 °C y +260 °C.

• Termopar tipo J, de Hierro/Cobre-Níquel (constantan). Es adecuado en atmósferas inertes y para temperaturas entre -200 °C y 1.200 °C. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550 °C, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de 750 °C. También es necesario tomar precauciones a temperaturas inferiores a 0 °C debido a la condensación del agua sobre el hierro.

• Termopar tipo K, de Níquel-Cromo (cromel) /Níquel-Aluminio (alumel). Se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 °C y 1.250° C. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas, a menos que esté protegido con un tubo de protección. Se u liza para temperaturas entre -40 °C y 1.100 °C .

• Termopar tipo R (Platino-13% Rodio/Pla no). Se emplea en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo de hasta 1.500 °C. Es más estable y produce una f.e.m. mayor que el tipo S. Poca sensibilidad (10 V/°C).

• Termopar tipo S (Pla no-10% Rodio/Pla no), de características similares al tipo R. Poca sensibilidad (10 V/°C).

• Tipo B (Pla no-30% Rodio/Pla no-6% Rodio), adecuado para altas temperaturas hasta los 1.800 °C. Poca sensibilidad (10 V/°C).

• Termopar tipo N (84,6% Níquel-14% Cromo-1,4% Silicio)/(95,6% Níquel-0,4% Silicio). Protegido con aislamiento de óxido de berilio y camisa de molibdeno y de tantalio, se emplea en atmósferas inertes o en vacío a las temperaturas de trabajo de 0 °C a 2316 °C. Se utiliza, cada vez con mayor frecuencia, para sustituir al tipo K, presentando una mejor estabilidad y una mejor resistencia a la oxidación a altas temperaturas.

Pirómetros de radiación• Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin) del cuerpo, es decir:

• • Siendo:• W= intensidad de energía radiante.• K= constante.• T= temperatura absoluta del cuerpo.

Pirómetros ópticos de desaparición de filamento

• Los pirómetros ópticos manuales aparecieron en el mercado en el año 1900 y se basan en la desaparición del lamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. El operador varía la corriente de la lámpara hasta que el lamento de la misma deje de verse sobre el fondo del objeto caliente enfocado.

Pirómetro de infrarrojos

• El pirómetro de infrarrojos capta la radiación espectral del infrarrojo, invisible al ojo humano, y puede medir temperaturas menores de 700 °C. Temperaturas medidas abarcan desde valores inferiores a 0 °C hasta 4.000 °C. La lente filtra la radiación infrarroja emitida por el área del objeto examinado y la concentra en un sensor de temperatura fotoresistivo que la convierte en una señal de corriente y, a través de un algoritmo interno del instrumento y de la emisividad del cuerpo enfocado, la pasa a un valor de temperatura. La señal de salida puede ser analógica (4-20 mA c.c.) o digital. La relación de la distancia del objeto al sensor, y del tamaño de la imagen sobre la lente, varía entre 2:1 hasta 300:1.

Pirómetro fotoeléctrico• Los detectores fotoeléctricos o cuán cos (quantum) consisten en materiales semiconductores cristalinos, tales como el indio antimonio (InSb), el silicio (Si), el sulfuro de plomo (PbS) y el sulfuro de cadmio (CdS), que responden a los fotones de radiación del cuerpo que se enfoca liberando cargas eléctricas a través de mecanismos de fotoelectricidad, foto conducción o fotovoltaico. Responden a diferentes partes del espectro, de modo que muestran una gran selectividad en las ondas en que operan y su detectividad espectral es 1 millón de veces mayor que la de los detectores térmicos.

• V = K × • siendo:• V = fuerza electromotriz• K = constante• T = temperatura absoluta del cuerpo

• Tiene un campo de trabajo de 15 °C a 3000 °C, pudiendo enfocar desde 1 m hasta el in nito, posee una constante de tiempo de 2,20 o 200 ms y puede llegar a tiempos de respuesta de nanosegundos.

Pirómetro de dos colores

• Se basa en que la relación entre las radiaciones emitidas, en dos bandas estrechas del espectro, es función de la temperatura y de la relación entre emisividades del cuerpo correspondientes a las dos bandas.

• Su empleo es excelente en los llamados cuerpos grises, es decir, aquellos cuyo coeficiente de emisión es constante para todas las longitudes de onda. Por otro lado, este pirómetro permite medir a través de atmósfera de humos, vapor y polvo ya que, por su principio de funcionamiento, la lectura es teóricamente independiente de la absorción de la atmósfera intermedia.

• Un pirómetro de dos colores divide básicamente la radiación del objeto en dos haces medidos por dos células fotoeléctricas de silicio similares, una de ellas dispone de un filtro que sólo deja pasar la radiación de longitud de onda más corta (0,65 micras) y la otra en la zona de 0,9 micras. La relación entre las dos corrientes de salida de la célula es una medida de la temperatura del objeto.

Pirómetro de radiación total

• Capta una banda amplia de radiación y está formado por una lente de pírex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada, incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeñas variaciones de la energía radiante y, además, muy resistentes a vibraciones o choques.

• Las lentes de pírex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 °C a 1.750 °C, la lente de sílice fundida en el intervalo de 450 °C a 1.250 °C y la lente de fluoruro de calcio para temperaturas inferiores.