Medición de Temperatura por Medios EléctricosLas mediciones de diferentes magnitudes no eléctricas (presión,temperatura, deformación, etc.) por medios eléctricos, permite aplicartodas las ventajas de los sistemas de medición modernos (flexibilidad,aptitud para guardar gran cantidad de información por lapsos muyprolongados, posibilidades de elaboración de los datos) a medicionesque de lo contrario serían rígidas y de difícil procesamiento.

Todos los métodos de medición de magnitudes no eléctricas requierendel cambio de alguna característica física de algún elemento que,pudiendo ser detectada en forma eléctrica, tenga una relación conocidacon la magnitud a medir.

Supongamos por ejemplo el caso de un termómetro elemental de mercurio:

Con un dispositivo como éste debemos reducirnos a sólo leer el valor instantáneo de la temperatura

Transductores de Temperatura

Si bien existe gran variedad de termómetros, la mayor versatilidad se obtiene con los termómetros eléctricos.

• Métodos de fuerza electromotriz (Termocuplas);

Los Métodos Eléctricos para Medición de Temperatura, pueden dividirse en:

• Métodos de variación de resistencia(Termorresistores y Termistores);

• Sensores de Estado Sólido.

• Métodos de Radiación;

Transductores de Temperatura

Sensores de Resistencia (Termorresistores):

Elemento metálico, cuya ley de variación de la resistencia con la temperatura es conocida, con su correspondiente envoltura protectora, adecuada al medio en el que se hará la medida.

La ley de variación de la resistencia con la temperatura de un metal puede escribirse:

- αn: coeficientes de temperatura [1/°C]- R0 : resistencia del sensor a la temperatura de referencia T0 [Ω]- RT : resistencia del sensor a la temperatura T [Ω]

El número de términos que se empleen dependerá de la exactitud. Para un cambio limitado de temperatura puede utilizarse la aproximación lineal:

(Cuando el rango de temperaturas crece, también lo hace el error de esa aproximación lineal)

( ) ( ) ( )[ ]n0n

202010T TTTTTT1RR −∗+⋅⋅⋅+−∗+−∗+∗= ααα

( )[ ]00 1 TTRRT −∗+∗= α

Curvas de Variación de la Resistencia con la Temperatura

Parámetros característicos “típicos” de Termorresistores

MaterialRango de aplicación

[°C]

Coeficiente de Temperatura

[1/°C]

Exactitud[°C]

Platino -200 a +875 0,0039 ±0,5

Cobre -200 a +260 0,0038 ±0,5

Níquel -100 a +320 0,0067 ±0,5

El platino, entre otras ventajas, posee la de ser un metal noble, lo que permite alcanzar amplios rangos de temperatura sin tener que tomar precauciones especiales respecto del medio que lo rodea.

Otros factores que pueden afectar la exactitud:Autocalentamiento - Error de Inserción - Tiempo de

Respuesta

Termorresistores de PlatinoClases de exactitud según noma IEC 60751

Clase

Rango de validez [ºC]Tolerancia

[ºC] de hilo bobinado

de película delgada

AA -50 a 250 0 a 150 ± (0,1 + 0,0017 |T|)

A -100 a 450 -30 a 300 ± (0,15 + 0,002 |T|)

B -196 a 600 -50 a 500 ± (0,3 + 0,005 |T|)

C -196 a 600 -50 a 500 ± (0,6 + 0,01 |T|)

Termorresistores de Platino - Norma IEC 60751

Esquema circuital de un puente de Wheatstone empleado para medir la resistencia de un sensor RTD

R3

U

a

c

Db

R2 R1

RT

RC1

RC2

RC3

d

V RT

Esquema circuital de Voltímetro y Amperímetro

para medir la resistencia de un sensor RTD con 4 terminales

Esquema constructivo simplificado de detectores de temperatura resistivos

soporte aislante

sensor resistivo

soporte aislante

sensor resistivo

a) Plano b) Cilíndrico

RTDs típicos

Izquierda: Sensor de Película Delgada (con cuerpo aislante)

Centro: Sensor encapsulado en Vidrio

Derecha: Sensor Cerámico

Termocuplas (o termopares):

material a

material b

T1 T2is

Si dos alambres de metales diferentes se unen por sus extremos, ya sea por medio de soldadura, trenzando uno sobre otro, etc., y una de las uniones o junturas se calienta mientras que la otra se mantiene a una temperatura diferente, por ejemplo, ambiente, se encontrará que por el lazo así formado circula una corriente (Efecto Seebeck)

(Depende de las características de los materiales que se ponen en contacto y de la diferencia de temperatura entre los dos extremos.)

material a

material b

T1 T2is

material b

m n

Al abrirse en m y n aparece una diferencia de potencial que, si la medimos correctamente, será proporcional a la diferencia entre T1 y T2.

a) la caída de tensión que producirá la circulación de una corriente por los elementos que componen la termocupla.

La diferencia de potencial debe medirse en vacío.

Si hay circulación de corriente, se falseará la medida por las siguientes razones:

b) El efecto Peltier: si en un dispositivo como el esquematizado en la figura está circulando una cierta corriente, en una de las junturas se liberará calor, en tanto que en la otra se lo absorberá. En una dada juntura, se liberará calor si la corriente circula en un sentido y se lo absorberá si lo hace en el sentido contrario. Esta disipación de calor no debe confundirse con el calor generado por efecto Joule. Tenemos así que una juntura se enfriará en tanto que la otra se calentará. Este efecto, muy usado hoy en día para refrigeradores o calefactores sin partes móviles, complica seriamente el comportamiento de la termocupla.

material a

material b

T1 T2

material b

iQQ

Efecto Peltier

c) Efecto Thomson: si se tiene un cierto material, sometido a un gradiente de temperatura, y se le hace circular una corriente, en un dado punto se liberará o se absorberá calor, según el sentido de circulación de la corriente (no debe confundirse con el efecto Joule).

Conclusión: es imprescindible medir en vacío (por lo que un método potenciométrico puede ser la opción).

T1 T2

i

Q

Efecto Thomson

material b

material a

material b

T1 T2

m n

material a

material c

T3 T4

El material c no altera la fem siempre que las temperaturas T3 y T4 sean iguales

Algunas propiedades adicionales del comportamiento de las termocuplas:

Ley de los Metales Intermedios

a

b

T1 T3

a

b

T2 T3

a

b

T1 T2= +

La f.e.m. que se obtiene de la primer termocupla es igual a la suma de las otras dos.

( ) ( ) ( )E a T T a T T a T Tnn

1 0 1 1 0 2 1 02

1 0− = − + − + + −...

Ley de una termocupla:

Si se conoce una de las temperaturas, T0 , y se conocen los materiales, y con ello los coeficientes, la lectura de E1-0permite calcular T1

Ley de las Temperaturas Intermedias

Juntura caliente - +

+

-

T aDispositivo para medir

la f.e.m.

T 1

T 0

Juntura fría

Obtención de la juntura fría con hielo fundente.

aT1

T0

c

cdispositivopara medir

la f.e.m

Juntura fría a temperatura ambiente

(Exactitud de T0 y la fem)

(T0 obtenida mediante una RTD, por ejemplo.)

Materiales de los alambres

Rango de aplicación

[°C]

Variación de la tensión en el rango [mV]

Denominación

ANSIPlatino Rodio (6%)/Platino Rodio (30%) 38 a 1800 14 A

Tungsteno Renio (5%)Tungsteno Renio (26%) 0 a 2300 37 C

Cromel/Constantán 0 a 982 75 E

Hierro/Constantán -184 a 760 50 J

Cromel/Alumel -184 a 1260 56 K

Platino /Platino Rodio (13%) 0 a 1593 19 R

Platino /Platino Rodio (10%) 0 a 1538 16 S

Cobre/Constantán -184 a 400 26 T

Datos característicos de los Termopares más comunes

J3 (+)

J2 (-)Medición

Constantán

HierroCobre

J1

Medición de temperatura con una TermocuplaTipo J (Hierro - Constantán)

Tres uniones de metales diferentes: J1, J2 y J3. Cada una con su propia tensión termoeléctrica (efecto Seebek), proporcional a la correspondiente temperatura.

(Recordar que las termocuplas requieren alguna forma de temperatura de referencia para compensar las uniones en “frío”)

NationalInstruments

J4 J3

+VJ4- +VJ3-

+ VJ2 -

J2

RegiónIsotérmica

T = Tref

Constantán

Cobre

Hierro

+

-VJ1 J1

T=TTC

Vm

+

-

Las uniones J2 y J4 son del mismo tipo (cobre-constantán), están a la misma temperatura, pero poseen tensiones de polaridades opuestas ( sus efectos se cancelan).

J1 y J3 son ambas de hierro-constantán, pero están a temperaturas diferentes.

National Instruments

Es decir, midiendo Vm y Tref , y conociendo la relación tensión / temperatura del termopar, se puede determinar la temperatura en la unión caliente (compensación por “software”)

)T(3VJ)T(1VJV refTCm +=

)T(1VJ)T(1VJV refTCm −=

Ya que J3 es del mismo tipo que J1 pero con polaridad opuesta:

TC m refVJ1(T ) V VJ1(T ) = +

Compensación por “software”

Las Termocuplas pueden ser utilizadas en amplios rangos de temperatura y en ambientes muy variados, siendo además de construcción más robusta que las RTD o termistores, p.ej.

Ejemplo de compensación por “hardware” de una Termocupla tipo J

Agilent Technologies

Existen alternativas de medición modernas sencillas y muy simples de usar, como los transductores de medida que reciben la tensión de un dado tipo de termocupla, y dan una salida de tensión en una

relación conocida y lineal con la temperatura, que puede ser medida directamente con cualquier multímetro digital de continua.

Fluke 80TK (Módulo convertidor para

termocuplas tipo K)

Salida: 1 mV por grado (Celsius o Fahrenheit)

Módulo para termocupla Fluke 80TK

Termómetros de Radiación Infrarroja

Todos los cuerpos cuya temperatura sea mayor que 0 Kelvin, emiten radiación eletromagnética a

longitudes de onda ubicadas en la región infrarroja del espectro 0,7 hasta los 300 μm (Radiación

infrarroja, radiación térmica o radiación IR: mayor longitud de onda que la luz visible.). Los

termómetros infrarrojos miden esta radiación y proporcionan una señal de salida calibrada en una

variedad de rangos.

Entre sus principales ventajas se cuentan: la medición de temperatura sin contacto (las distancias de trabajo pueden variar desde una fracción de centímetro a varios kilómetros en aplicaciones aerotransportadas), y su rápida respuesta.

Ejemplo de un pirómetro infrarrojo

Termómetros infrarrojos: