Medición de Temperatura: Tipos de Termómetros y Pirómetros

Mediciones de Temperaturas

Se define por temperatura de un cuerpo a su estado térmico con referencia a su poder de transferir o adquirir calor de otro cuerpo. La termodinámica establece que la temperatura de una sustancia es la medida de la velocidad media de sus moléculas.

Puntos Fijos o de Referencia y Escalas Termométricas

La medida de una temperatura siempre se hace en base de una escala determinada, cuyo ordenamiento numérico es arbitrario y función de los puntos fijos o de referencia elegidos para dicha escala.

La escala centígrada o de Celsius, toma como puntos fijos, las temperaturas de hielo fundente a la presión atmosférica normal, como 0 ºC y la del agua destilada. En la escala Fahrenheit dichos punto fijo 0ºC y 100º C tienen los valores de 32º F y 212º F.

Dichas escalas, Celsius y Fahrenheit, son las de mayor aplicación y están aceptadas mundialmente.

En el ordenamiento científico se utiliza la escala Kelvin que es la escala ordinaria de temperatura absoluta; la temperatura del cero absoluto puede definirse, como el estado térmico para el cual las velocidades moleculares de un gas ideal se hacen cero.

Tal interpretación se funda en los conceptos de la teoría cinética de los gases ideales que establece que: a medida que la temperatura de un gas se reduce, las velocidades moleculares tienden a hacerse nulas. Esto evidencia que, al calentar el gas las moléculas se aceleran y se dispersan ocupando mayor volumen. Cuando se enfría las moléculas disminuyen su velocidad, reagrupándose y disminuyendo su volumen.

Termómetros

El termómetro (del griego θερμός (termo) el cuál significa "caliente" y metro, "medir") es un instrumento de medición de temperatura. Desde su invención ha evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de los termómetros electrónicos digitales.

Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.

Tipos de Termómetros

Termómetro de Mercurio

Un termómetro de mercurio es un tipo de termómetro que generalmente se utiliza para medir las temperaturas del ambiente o entorno exterior. El mercurio de este tipo de termómetro se encuentra en un bulbo reflejante y generalmente de color blanco brillante, con lo que se evita la absorción de la radiación del ambiente. Es decir, este termómetro toma la temperatura real del aire sin que la medición de ésta se vea afectada por cualquier objeto del entorno que irradie calor.

Termómetro de Lámina Bimetálica

Un termómetro de lámina bimetálica (termómetro bimetálico) es un dispositivo para determinar la temperatura que aprovecha el desigual coeficiente de dilatación de dos láminas metálicas de diferentes metales unidas rígidamente (lámina bimetálica).

Los cambios de temperatura producirán en las láminas diferentes expansiones y esto hará que el conjunto se doble en arco. En la práctica, las dos láminas anteriormente mencionadas se suelen bobinar en espiral o en forma helicoidal, dejando un extremo libre al que se suelda un índice o es solidario con una aguja indicadora que muestra, realmente, la rotación angular de la misma sobre una escala graduada en grados centígrados o Fahrenheit. La ventaja de los termómetros bimetálicos sobre los líquidos es su mayor manejabilidad y su gran abanico de medidas. Son ampliamente utilizados en la industria y constituyen el fundamento del termógrafo, ampliamente utilizado en estaciones meteorológicas.

Termómetro de Gas

El termómetro de gas de volumen constante, mencionado al hablar del establecimiento de la escala termodinámica de temperaturas, pertenece a la categoría de termómetros llenos de gas y es el más exacto de este tipo. Para usos industriales, un termómetro por presión de gas consta de un elemento que mide la presión, como el tubo Bourdon conectado por un tubo capilar a una ampolla que se expone a la temperatura que se ha de medir. El sistema se llena, a presión, con un gas inerte, ordinariamente el nitrógeno. Como el gas del elemento medidor y del tubo de conexión no está a la temperatura del bulbo, el volumen de éste tiene que ser grande para que los errores introducidos por la diferencia de temperatura del elemento medidor de la presión y del tubo capilar resulten insignificantes. El bulbo debe tener por lo menos cuarenta veces el volumen del resto del sistema. Por ello, y a causa del retardo en la transmisión de los cambios de presión por el tubo capilar, la longitud de éste se limita a un máximo de 60 m, y es preferible mucho menos.

Termómetro de gas a volumen constante se compone de una ampolla con gas -helio, hidrógeno o nitrógeno, según la gama de temperaturas deseada- y un manómetro medidor de la presión. Se pone la ampolla del gas en el ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta entonces la columna de mercurio (manómetro) que está en conexión con la ampolla, para darle un volumen fijo al gas de la ampolla. La altura de la columna de mercurio indica la presión del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.

Termómetro de Resistencia

Los termómetros de resistencia o termómetros a resistencia son transductores de temperatura, los cuales se basan en la dependencia de la resistencia eléctrica de un material con la temperatura, es decir, son capaces de transformar una variación de temperatura en una variación de resistencia eléctrica.

Un termómetro de resistencia es un instrumento utilizado para medir las temperaturas aprovechando la dependencia de la resistencia eléctrica de metales, aleaciones y semiconductores (termistores) con la temperatura; tal es así que se puede utilizar esta propiedad para establecer el carácter del material como conductor, aislante o semiconductor.

Características de los Materiales para Conductores de Resistencia

• Alto coeficiente de temperatura de la resistencia: para mayor sensibilidad del instrumento.
• Alta resistividad: mayor variación de resistencia por grado, incrementando la sensibilidad.
• Relación lineal resistencia-temperatura.
• Rigidez y ductilidad: para facilitar la fabricación y obtener tamaños pequeños (respuesta rápida).

Materiales Comunes en Sondas

• Platino
• Níquel
• Cobre

Termopar

Diagrama de funcionamiento del termopar.

Un termopar es un sensor formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia.

En Instrumentación industrial, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado Celsius son difíciles de obtener.

El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.

Termistor

Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistor:

• NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo
• PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo.

Su funcionamiento se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura, debido a la variación de la concentración de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado. Usualmente, los termistores se fabrican a partir de óxidos semiconductores, tales como el óxido férrico, el óxido de níquel, o el óxido de cobalto.

Termómetros Digitales

Los termómetros digitales son aquellos que, valiéndose de dispositivos transductores como los mencionados, utilizan luego circuitos electrónicos para convertir en números las pequeñas variaciones de tensión obtenidas, mostrando finalmente la temperatura en un visualizador.

Termómetros Especiales

Termómetro de Globo

El termómetro de globo se utiliza para medir la temperatura radiante. Consiste en un termómetro de mercurio que tiene el bulbo dentro de una esfera de metal hueca, pintada de negro de humo para asemejarla lo más posible a un cuerpo negro y así absorber la máxima radiación.

Termómetro de Bulbo Húmedo

El termómetro de bulbo húmedo es un termómetro de mercurio que tiene el bulbo envuelto en un paño de algodón empapado de agua. Al proporcionarle una corriente de aire, el agua se evapora más o menos rápidamente dependiendo de la humedad relativa del ambiente, enfriándose más cuanto menor sea ésta, debido al calor latente de evaporación del agua.

Temperatura de Bulbo Seco

Temperatura de bulbo seco o temperatura seca es la medida con un termómetro convencional de mercurio o similar cuyo bulbo se encuentra seco.

Esta temperatura junto a la temperatura de bulbo húmedo es utilizado en la valoración del confort higrotérmico, en la determinación de la humedad relativa, en la determinación del punto de rocío, en psicrometría para el estudio y determinación del comportamiento de mezclas de aire.

Mediante el diagrama psicrométrico o tablas psicrométricas es posible a partir de dos valores de entrada conocer el resto de las propiedades de las mezclas de aire seco y aire húmedo.

Es utilizado en meteorología, confort higrotérmico en arquitectura bioclimática o arquitectura sustentable, entre otros.

Termómetro de Máximas y Mínimas

Termómetro de Máxima

Registra la temperatura más alta del día.

Descripción

Es un termómetro de mercurio que tiene un estrechamiento del capilar cerca del bulbo o depósito. Cuando la temperatura sube, la dilatación de todo el mercurio del bulbo vence la resistencia opuesta por el estrechamiento, mientras que cuando la temperatura baja y la masa de mercurio se contrae, la columna se rompe por el estrechamiento y su extremo libre queda marcando la temperatura máxima. La escala tiene una división de 0,5 ºC y el alcance de la misma es de -31,5 a 51,5 ºC.

Instalación y medición

Se coloca dentro del abrigo meteorológico en un soporte adecuado, con su bulbo inclinado hacia abajo formando un ángulo de 2º con la horizontal. Luego de la lectura, para volver a ponerlo a punto se debe sujetar firmemente por la parte contraria al depósito y sacudirlo con el brazo extendido (maniobra similar a la realizada para bajar la temperatura de un termómetro clínico)

Termómetro de Mínima

Registra la temperatura más baja del día.

Instalación y medición

Se coloca dentro del abrigo meteorológico en un soporte adecuado en forma horizontal. Luego de la lectura se debe poner nuevamente el índice en contacto con la superficie libre del alcohol.

Pirómetros

Un pirómetro es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados Celsius. El rango de temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados Celsius hasta +4000 grados Celsius. Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.

Principio de Funcionamiento de los Pirómetros

La radiación infrarroja es una parte de la luz solar y puede descomponerse reflejándose a través de un prisma. Esta radiación posee energía. A principios del siglo XX, los científicos Planck, Stefan, Boltzmann, Wien y Kirchhoff definían las actividades del espectro electromagnético y establecían equiparaciones para describir la energía infrarroja.

Esto hace posible definir la energía en relación con curvas de emisión de un cuerpo negro. Los objetos con una temperatura por encima del punto cero absoluto irradian energía. La cantidad de energía crece de manera proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.

Este concepto es el principio básico de la medición de la temperatura por medio de infrarrojos. Con el factor de emisión se introduce una variable en esta regularidad. El factor de emisión es una medida para la relación de las radiaciones que emiten un cuerpo gris y un cuerpo negro a igual temperatura. Un cuerpo gris es un objeto que tiene el mismo factor de emisión en todas las longitudes de onda. Un cuerpo no gris es un objeto cuyo factor de emisión cambia con la longitud de onda, por ejemplo el aluminio. Como norma general se considera que el factor de emisión es igual al factor de absorción.

Para superficies brillantes, el factor de emisión puede ser ajustado en los pirómetros de modo manual o automático, para así corregir los errores en la medición. En la mayoría de las aplicaciones esto es muy sencillo de realizar. Para los casos en los que el factor de emisión no es constante, se puede resolver el problema midiendo en dos o más longitudes de onda.

Los pirómetros se fabrican con muchas configuraciones, diferenciándose por sus componentes óptico o electrónico, por su tecnología, tamaño y carcasa. Todos tienen en común la cadena de transformación de señales, en cuyo comienzo se encuentra una señal de infrarrojos y en cuyo final hay una señal de salida electrónica. Esta cadena de medición genérica comienza con un sistema óptico de lentes y / o conductores de ondas de luz, filtros y el detector.

Tipos de Pirómetros

Existen 3 tipos de pirómetros:

• Pirómetros de radiación
• Pirómetros infrarrojos
• Pirómetros ópticos

El primero acepta un muestreo controlado de la radiación total y mediante determinación del efecto calorífico del muestreo obtenido, un sensor térmico como una termopila (grupo de termopares conectados en serie) determina le medición de temperatura.

El pirómetro óptico usa el ojo humano como el medio de detección estimando el cambio en el ancho de banda de radiación visual con temperatura. Finalmente el infrarrojo maneja un principio similar que al de radiación total, solo que las mediciones se restringen al segmento infrarrojo. Ninguno de los 3 necesita contacto directo con el objeto a analizar ni una distancia particular. En este trabajo solo se hablará sobre los 2 primeros tipos, por radiación y ópticos.

Pirómetros Ópticos

Los pirómetros ópticos se emplean para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700ºC. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color de incandescencia. El color con el que brilla un objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega casi al blanco a unos 1300º C. Este tipo de pirómetros utilizan un método de comparación como base de operación. En general, una temperatura de referencia es proporcionada en forma de un filamento de lámpara eléctricamente calentada, y la medición de temperatura es obtenida comparando de manera óptica la radiación visual del filamento contra la de la fuente de calor a medir. En principio, la radiación de una de las fuentes, como la ve el observador, es ajustada hasta coincidir con la radiación de la otra fuente. Existen dos métodos: 1) La corriente a través del filamento es controlada eléctricamente mediante un ajuste de resistencia, o 2) la radiación aceptada por el pirómetro de la fuente desconocida es ajustada ópticamente mediante algún aparato absorbente como un filtro polarizante. En ambos casos el ajuste es requerido para la lectura de la temperatura.

La siguiente figura ilustra de forma esquemática la estructura de un pirómetro de intensidad variable.

Pirómetros de Radiación

Los pirómetros de radiación se emplean para medir temperaturas mayores de 550°C hasta un poco más de 1600°C captando toda o gran parte de la radiación emitida pro el cuerpo a analizar. Este tipo de pirómetros se fundamenta en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir, W = KT⁴, donde:

• W (potencia emitida)= Flujo radiante por unidad de área.
• K =Constante de Stefan - Boltzmann (cuyo valor es 5.67 10^-8 W / m² K⁴).
• T =Temperatura en Kelvin

Los pirómetros, como ya se había mencionado, se utilizan para medir temperaturas muy elevadas sin la necesidad de contacto físico y dependiendo del rango deseado se elige uno de los tipos de pirómetros ya que los pirómetros de radiación total tienen un mayor rango que los ópticos.

El pirómetro de radiación se puede recomendar en lugar del termoeléctrico en los casos siguientes:

• Donde un par termoeléctrico sería envenenado por la atmósfera de horno.
• Para la medida de temperaturas de superficies.
• Para medir temperaturas de objetos que se muevan.
• Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los termopares.
• Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura.
• Donde las condiciones mecánicas (vibraciones, choques, etc.) acorten la vida de un par termoeléctrico caliente.

En la industria del vidrio se necesita controlar la temperatura en sus procesos, es por ello que se emplean pirómetros, de los cuales según la capa de vidrio que se desea medir, se elige el tipo de pirómetro, debido a que en diferentes longitudes de onda se alcanzan diferentes profundidades. Pirómetros con detectores de silicio alcanzan profundidades en vidrio para ventanas de unos 190mm aproximadamente.