Medición de temperatura
La temperatura
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 temperatura
La temperatura se mide en grados, y hay varias escalas, las dos mas
usadas son:
- Escala Celsius (o centígrada); utilizada en el
Sistema Internacional de Unidades.
- 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.
Termómetros
En general los termómetro pueden clasificarse en dos grupos:
- 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.
- Termómetros sin contacto; que funcionan midiendo
algún parámetro a distancia del cuerpo.
Termómetros de
contacto
Estos 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:
- Midiendo la altura de la columna de un líquido
dentro de un tubo capilar (termómetros
de
columna).
- Midiendo la presión de un gas confinado a un
recipiente cerrado. (termómetros
a
presión
de gases).
- Midiendo la presión
de vapor de un líquido
confinado a un recipiente cerrado (termómetros
a
presión
de vapor de líquido).
- Midiendo la resistencia eléctrica de un
conductor o semi-conductor (termómetros
de termo
resistencia).
- Utilizando la deformación de una lámina
bimetálica (termómetros
bimetálicos).
- Midiendo el voltaje generado por un termopar. (termómetros a termopares).
Termómetros de
columna.
Figura 1
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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.
Estos termómetros constan de un tubo capilar (muy fino) de vidrio
cerrado en un
extremo, y con un bulbo lleno de líquido coloreado en el otro,
al que
se le ha practicado vacío. Este capilar se coloca fijo en un
cuerpo que
contiene una escala graduada en grados en la escala correspondiente.
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 mas 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. |
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Termómetros a
presión de gases
En 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
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Figura 2
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Termómetros a
presión de vapor
Los termómetros a
presión de vapor de líquido tienen la misma
construcción de los de presión de gases como se muestra
en la figura 4, excepto que el bulbo está lleno con un
líquido volátil. 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
bimetálicos
Los 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.
En la figura 5 se muestra un esquema de la construcción de estos
termómetros.
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.
Cuando cambia la temperatura, la deformación de la lámina
tiende a enrollar y desenrollar la el espiral produciendo el movimiento
del puntero. Una escala calibrada en grados de temperatura
detrás del puntero completa el instrumento. La figura 6 a continuación
muestra una vista real de uno de estos termómetros.
Figura 6
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Figura 4
Figura 5
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Termómetros
a termo resistencia
Estos 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.
Utilizando esta propiedad, se construye un puente con tres resistencias
iguales y la termo resistencia en la cuarta rama; el valor de la
termo resistencia a temperatura cero, de acuerdo a la escala a
utilizar, es igual al de las tres resistencias restantes por lo que el
voltímetro marcara cero voltios, equivalente a cero grados de
temperatura en la escala.
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 hacen 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.
Debe tenerse en cuenta que la corriente utilizada no debe ser tan alta
como para producir calentamiento de la termo resistencia ya que si esto
pasa, será interpretado como un falso aumento de la temperatura
a medir.
Usando el circuito de la figura 9 se minimiza este efecto negativo al
estar un resistencia fija en serie con la termo resistencia.
Termómetros a
termopares
Cuando 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. |
Figura 7
Figura 8
Figura 9
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Termómetros sin
contacto
Estos 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:
- Medición de la radiación
electromagnética visible emitida por el cuerpo caliente (pirómetros de radiación
visible).
- Medición de la absorción de radiaciones
electromagnéticas por el cuerpo caliente (pirómetros
de absorción-emisión).
- 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).
Para medir la temperatura de un metal incandescente, se observa
éste
a través del pirómetro, en el campo visual del
instrumento hay una lámpara con filamento de tungsteno. Girando
un botón graduado en grados de temperatura se suministra mas o
menos voltaje al filamento y con ello se cambia su color de
incandescencia, mientras pueda observarse el filamento es porque su
color es diferente al del metal cuya temperatura quiere medirse
(fondo). En el momento en que desaparezca el filamento del campo visual
se han igualado las temperaturas y la escala del botón nos
mostrará la temperatura.
Pirómetros de
absorción-emisión
Se utilizan para determinar la temperatura de gases. Estos
pirómetros se basan en el hecho de que los gases pueden absorber
en mayor o menor medida las radiaciones electromagnéticas de
ciertas longitudes en dependencia de su temperatura. Para la
medición, el pirómetro emite un haz de radiaciones
electromagnéticas calibradas que se hacen pasar a través
del gas, luego se mide la intensidad y se compara con la original, las
pérdidas de radiación permiten obtener la temperatura del
gas.
Termómetros
de radiación infrarroja.
Todos los cuerpos en dependencia de la temperatura emiten radiaciones
electromagnéticas el exterior, cuando la temperatura llega a
determinado valor medianamente alto (aproximadamente a los 450 grados
celsius) esta emisión comienza a hacerse visible como roja (zona
visible del espectro), y si
nos acercamos al cuerpo caliente en estas condiciones sentiremos en la
piel la radiación como calor, aunque no tengamos contacto con
él. Para valores de calentamiento algo menores sigue presente la
radiación, y aunque no podamos verla como emisión de luz
roja, aun podemos sentirla en la piel si nos acercamos lo suficiente.
Estas radiaciones no visibles se llaman radiaciones infrarojas (por
debajo del rojo). Los termómetro infrarojos pueden detectar las
radiaciones no visibles y convertirlas a un valor de temperatura en una
escala o en una pantalla digital utilizando captadores muy sensibles
que pueden determinar las radiaciones de cuerpos relativamente
fríos. Son aparatos electrónicos bastante complejos.
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