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Medición de temperaturatemperatura de un cuerpo produce diversas manifestaciones en él que guardan estrecha relación con el valor de esta. Determinando las magnitudes de estas manifestaciones con algún instrumento de medición podemos conocer de manera indirecta el valor de la temperatura del cuerpo. Este instrumento se llama termómetro. Los termómetros deben estar en la zona de medición el tiempo necesario para que alcancen el valor de la temperatura a medir y su influencia en el medio debe ser lo suficientemente pequeña para que no cambien de manera notable esta temperatura. Escalas de temperaturaLa temperatura se mide en grados, y hay varias escalas, las dos mas usadas son:1.- Escala Celsius (o centígrada); utilizada en el Sistema Internacional de Unidades. 2.- Escala Fahrenheit; utilizada por el Sistema Inglés de Unidades. La escala Celsius usa como temperatura cero grados de referencia aquella, a la que el agua pura pasa del estado líquido al sólido (congela), y temperatura 100 grados, a aquella en la que el agua pasa del estado líquido al gaseoso (evaporación), ambas en condiciones normales de presión (presión atmosférica estándar).La escala Fahrenheit tiene como punto de referencia de cero grados a una temperatura que se registró en el invierno de 1709 en Dinamarca (donde vivía el científico Fahrenheit) año cuyo invierno fue muy duro, y la temperatura del cuerpo humano como grado 96. TermómetrosEn general los termómetro pueden clasificarse en dos grupos:1.- Termómetros de contacto; que son aquellos cuyo elemento sensor está en contacto íntimo o colocado dentro del mismo ambiente que el cuerpo cuya temperatura se quiere conocer. 2.- Termómetros sin contacto; que funcionan midiendo algún parámetro a distancia del cuerpo. Termómetros de contactoEstos termómetros como lo indica su nombre, determinan la temperatura a medir teniendo contacto con el cuerpo, o colocados dentro del mismo ambiente donde está este. Lo común es que tengan un elemento sensor con alguna propiedad variable con la temperatura y que esta variación se refleje en una escala graduada directamente en las unidades correspondientes.Aunque son muchos los elementos medibles que guardan relación con la temperatura, en la práctica los mas utilizados son: 1.- Midiendo la altura de la columna de un líquido dentro de un tubo capilar (termómetros de columna). 2.- Midiendo la presión de un gas confinado a un recipiente cerrado. (termómetros a presión de gases). 3.- Midiendo la presión de vapor de un líquido confinado a un recipiente cerrado (termómetros a presión de vapor de líquido).4.- Midiendo la resistencia eléctrica de un conductor o semi-conductor (termómetros de termo resistencia). 5.- Utilizando la deformación de una lámina bimetálica (termómetros bimetálicos).6.- Midiendo el voltaje generado por un termopar. (termómetros a termopares).
Termómetros de columna.La gran mayoría de las sustancias se dilatan a dimensiones mayores cuando se calientan y se contraen a las dimensiones anteriores si se enfrían a la misma temperatura anterior, este efecto se utiliza para construir los termómetros de columna.Cuando el líquido se calienta, se dilata, y sube por el capilar formando una columna coloreada de mayor o menor altura de acuerdo al valor de la temperatura. En la figura 1 puede apreciarse uno de estos termómetros. El valor señalado en la escala por la propia columna corresponde a la temperatura a que está sometido el bulbo. El punto de solidificación y ebullición del líquido utilizado debe estar alejado del rango de utilización del termómetro para evitar que estos estados, que lo hacen inoperante, se alcancen durante el trabajo del aparato. Es importante también que la dilatación del líquido en todo el rango de utilización sea exactamente proporcional a la temperatura para lograr una escala con las divisiones a la misma distancia. Los líquidos más comúnmente utilizados son el mercurio de color plateado y el alcohol coloreado, generalmente de rojo. Observe en la figura 1 el bulbo lleno de líquido rojo en la parte inferior, y como la forma del capilar se ha construido de manera que amplifica como un si fuera una lente, el ancho aparente de la columna en la zona de medición para facilitar la lectura. En este caso se representa uno de los termómetros utilizados para medir la temperatura ambiente y está graduado en ambas escalas, celsius y fahrenheit. Termómetros a presión de gasesEn la figura 2 se muestra un esquema de un termómetro a presión de gases.El elemento de medición es un medidor de presión (manómetro). Un bulbo lleno con gas es la parte principal del sensor de temperatura que se coloca dentro del volumen al que quiere medirse la temperatura. Un fino tubo capilar conduce la presión del gas en el bulbo al manómetro, cuya escala ya ha sido calibrada en grados de temperatura. Los gases al calentarse y enfriarse se dilatan y contraen, y como en este caso, el gas de trabajo está confinado a un volumen cerrado el efecto que se produce es el incremento y la disminución de la presión cuando se incrementa y reduce la temperatura. Para rellenar los termómetros a presión de gases se usan gases que se comporten lo mejor posible como gas ideal en el rango de temperaturas para el que se utilizará el termómetro, de esta forma se obtiene un comportamiento proporcional entre temperatura y presión, al ser el volumen constante, por lo que las divisiones en la escala están a la misma distancia. Estos termómetros presentan la ventaja sobre los de columna de líquido, de que la medición puede realizarse a distancia alargando el tubo capilar. La longitud del tubo capilar tiene un límite, ya que si es muy largo, la cantidad de gas contenida en él puede ser comparable con la del bulbo e introducir errores en la medición con los cambios de temperatura del ambiente al que está sometido el capilar. Esto significa que para que un termómetro de gases sea preciso, la cantidad de gas en el sensor debe ser muy superior a la del tubo capilar. En la figura 3 puede apreciarse una vista real de uno de estos termómetros.  Figura 3. Termómetros a presión de vapor
Otra diferencia significativa con el termómetro a gases es que en este caso la escala no está dividida a distancias iguales, debido a que la presión de vapor de los líquidos, de acuerdo al diagrama de fases, no cambia de forma proporcional con la temperatura. Este fenómeno de la falta de proporcionalidad puede ser conveniente en los casos donde una zona de alta temperatura se monitorea, por ejemplo la temperatura de un proceso, en la zona de temperatura baja que no es importante, el movimiento de la aguja es poco y por tanto también la precisión, pero cuando la temperatura sube, que es la zona de interés, el movimiento relativo de la aguja con respecto al cambio de temperatura crece y con ella la exactitud de medición. Termómetros bimetálicosLos termómetros bimetálicos son muy frecuentes por su simplicidad y larga vida útil. Son suficientemente precisos para la mayoría de las aplicaciones domésticas donde no es necesaria una gran exactitud.Un puntero indicador se monta en uno de los extremos de una lámina bimetálica arrollada en espiral y el otro extremo de la lámina se fija al cuerpo del instrumento. En la figura 5 se muestra un esquema de la construcción de estos termómetros.  Figura 5  Figura 6. Termómetros a termo resistenciaEstos termómetros se basan en el cambio de resistencia eléctrica de las sustancias conductoras de la electricidad cuando cambia su temperatura. Como elemento sensor de estos termómetros pueden usarse conductores metálicos o semiconductores.Los conductores metálicos cambian ligeramente su resistencia eléctrica cuando cambian de temperatura; casi universalmente, se produce un aumento de resistencia cuando aumenta la temperatura. Los semiconductores tienen el efecto contrario, disminuyen notablemente la resistencia eléctrica con el aumento de la temperatura. Para construir uno de estos termómetros se coloca la resistencia dentro de un cuerpo para fabricar el sensor y se conectan a través de cables a un dispositivo de medir la resistencia ya calibrado en grados de temperatura. La magnitud del cambio de resistencia con la temperatura de ambos métodos es muy diferente, los conductores cambian muy poco, por lo que el instrumento para medir el cambio debe ser muy sensible, mientras que los semiconductores cambian mucho mas, y el dispositivo de medición puede ser mas basto. Veamos. La figura 7 muestra un esquema eléctrico de los utilizados para la medición de temperatura con termo resistencias de conductores. Para ello se construye un puente de Wheatstone como se muestra. Este circuito tiene la propiedad de que si las cuatro resistencias son iguales (puente balanceado) el voltímetro marca 0 voltios, pero si cambia el valor de una de ellas se refleja un valor de voltaje en el instrumento.  Figura 7. Cuando cambie la temperatura cambiará el valor de la termo resistencia y se generará un voltaje proporcional. Si se calibra la escala directamente en grados de temperatura, tendremos un termómetro. Uno de los conductores utilizados con frecuencia para la construcción de estas termo resistencias es el platino, que tiene elevada resistencia a la corrosión y poca reactividad química así como un alto punto de fusión. Lo que hace que estos aparatos de medición de temperatura encuentren aplicación para la medición de altas temperaturas en la industria. la figura 8 muestra un esquema de uno de los procedimientos utilizados para la medición de temperatura con termo resistencias de semi conductores. En este caso el cambio de resistencia es suficiente como para utilizar un miliamperímetro para determinar el cambio de la intensidad de la corriente con el cambio de la resistencia y calibrar la escala en grados de temperatura.  Figura 8.  Figura 9. Termómetros a termoparesCuando se sueldan en un extremo dos conductores de diferente naturaleza, y esta unión soldada se somete a una temperatura diferente a la de los extremos libres se produce una pequeña diferencia de voltaje en estos extremos libres. Este dispositivo se conoce como termopar. El voltaje generado guarda una relación fija con la diferencia de temperatura entre el extremo libre y la unión soldada, por lo que puede servir para construir un termómetro; simplemente colocando un milivoltímetro con la escala calibrada en grados de temperatura a medir el voltaje generado.Hay que tener en cuenta que la magnitud del voltaje no depende solo de la temperatura del extremo soldado, si no, de la diferencia de temperatura entre este, y los extremos libres, por lo que si se quiere tener un instrumento exacto debe mantenerse la temperatura del extremo libre constante. Si esta temperatura constante es cero grados entonces la medición será mas fácil ya que se parte de una referencia cero. Termómetros sin contactoEstos termómetros determinan la temperatura del cuerpo a distancia, y se basan en la determinación de alguna característica del cuerpo que cambie con la temperatura sin hacer contacto con él, aquellos que se usan para medir temperaturas altas y medianamente altas (unos 600 grados celsius o mas) se denominan pirómetros.En general son aparatos ópticos mas complejos y su uso es mas especializado, por lo que en estas páginas solo se hará breve referencia a ellos. Las características utilizadas para la determinación de la temperatura con estos termómetros mas comunes son: 1.- Medición de la radiación electromagnética visible emitida por el cuerpo caliente (pirómetros de radiación visible). 2.- Medición de la absorción de radiaciones electromagnéticas por el cuerpo caliente (pirómetros de absorción-emisión). 3.- Medición de la radiación infrarroja emitida por el cuerpo caliente (termómetros de radiación infrarroja)Pirómetros de radiación
Se emplean
para medir temperaturas altas. Se basan en la radiación
visible emitida por objetos muy calientes (incandescentes). |
