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Medición de temperatura

Contenido del artículo
Escalas de temperatura
Termómetros
Termómetros de contacto
Termómetros de columna
Termómetros a presión de gases
Termómetros a presión de vapor
Termómetros bimetálicos
Termómetros a termoresistencia
Termómetros a termopares
Termómetros sin contacto
Pirómetros de radiación
Pirómetros de absorción-emisión
Termómetros de radiación infraroja



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.

Termómetro de columna

Figura 1

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.


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.

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Figura 3

 
Termómetro de presión de gases

Figura 2



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.

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Figura 6

 
Termómetro a presión de vapor

Figura 4

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Figura 5

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. 
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Figura 7

Termómetro de termorresistencia

Figura 8

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Figura 9

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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