Capitulo 3-1ra Parte

CAPITULO 3

MEDICIONES DE TEMPERATURA

3.1 TEMPERATURA

Es una descripcion del nivel (intensidad) de calor, y calor es la energia de las moleculas en movimiento, se mide normalmente en grados Celsius (ºC) o grados Farenheit (ºF) y es de gran importancia en la industria.

Como el calor es moleculas en movimiento, existe un nivel minimo en el cual la materia se detiene (hipotetico), que corresponde al cero absoluto en temperatura.

32º9

5º FC 32º

5

9º CF

ºC ºF K R

100 212 373 672

0 32 273 492

-273 -460 0 0

Punto ebullicion del agua

Punto de referencia

Cero absoluto

9

492

5

273

9

32

5

RKFC

3.2 FENOMENOS QUE INFLUYEN EN LA MEDICION DE TEMPERATURA

a) Variacion en volumen o en estado de los cuerpos (solidos, liquidos, gases).

b) Variacion de resistencia de un conductor (sondas de resistencia).

c) Variacion de resistencia de un semiconductor (termistores).

d) F.E.M. creada en la union de dos metales distintos (termopares).

e) Intensidad de la radiacion total emitida por el cuerpo (pirometros de radiacion).

f) Otros fenomenos utilizados en laboratorio (velocidad, frecuencia, resonancia, etc)

3.3 TERMOMETROS3.3.1 TERMOMETRO DE LIQUIDO EN VIDRIO

Es el instrumento mas simple para la medicion de la temperatura, teniendo diversas aplicaciones industriales.El principio de operación es en base a la expansion volumetrica, en donde el liquido se eleva en el tubo capilar proporcionalmente a la temperatura aplicada

El líquido termométrico ideal, debería tener las siguientes propiedades físicas y químicas:

• Ser líquido en el intervalo nominal del termómetro.• Tener un coeficiente de expansión lineal.• Ser opaco o con color, para su fácil lectura.• No “mojar” por fuerzas adhesivas la superficie del

capilar.• Ser químicamente inerte con respecto a otros

materiales en el sistema.• Ser químicamente estable.• No ser dañino, para seguridad en manufactura y uso.• Tener un menisco bien definido, para fácil lectura.

3.3.2 TERMOMETRO DE LIQUIDO EN METALEstos termómetros pueden contener en

volumen mucho mercurio o liquido orgánico.

Estos termómetros funcionan con base a un principio de presión, el volumen queda mas o menos fijo, la temperatura esta sujeta a la ecuación:

2

2

1

1

21

2

22

1

11 ..

T

P

T

P

VV

T

VP

T

VP

3.3.3 TERMOMETROS ACTIVADOS POR VAPOR

Contienen un liquido volatil y se basan en el principio de la presion de vapor, existe una condicion de equilibrio a cualquier temperatura, esto se logra porque estan presentes el estado de vapor y el estado liquido. Tiene rango de -40ºC a 318 ºC

3.3.4 TERMOMETROS ACTIVADOS POR GAS

Existen termómetros activados por gas, con alcances mínimos de 66ºC, para el rango de: -88ºC hasta 542ºC, el gas activado comúnmente es nitrógeno.

3.3.5 TERMOMETRO BIMETALICO

- Estan construidos casi siempre por dos tiras delgadas de metales diferentes que se unen a todo lo largo. En los del tipo industrial, a estas tiras unidas se les da la forma de bobina helicoidal (un extremo de la bobina va soldado al vastago del termometro y el otro al eje indicador).

- No se recomienda para uso continuo con temperaturas superiores a 542 ºC.

- Rango: -200ºC hasta 500ºC.

Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o Invar (35,5 % de níquel) laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices.

3.3.6 TERMOMETRO DE RESISTENCIA

Los termometros 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. Es ideal para realizar mediciones donde se requiere una alta precisión y una documentación en linea. El termómetro de resistencia en un rango de -200°C a +850°C hasta una temperatura de +1760°C con una resolución de 0,1°C en todo el rango de medición.

El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor, adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica.El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado «coeficiente de temperatura de resistencia» que expresa a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura.

Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características:1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible.2. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad).

3.Relación lineal resistencia-temperatura.

4.Rigidez y ductibilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta).

5.Estabilidad de las características durante la vida útil del material.

Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel.

3.4 TERMOPARES O TERMOCUPLAS

El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas.

•Dispositivo electrico mas simple sensible a la temperatura.

•Consiste de un par de alambres, hecho de material diferente, estos se unen en un extremo y en el otro estan conectados a un instrumento de medicion o un circuito.

•El medidor mide la diferencia de la F.E.M. entre la union caliente y la referencia.

•El medidor usado con el termopar se le conoce como milivoltimetro, es extremadamente sensible a los cambios en el voltaje electrico.

•La termocupla en realidad no mide temperatura, mide voltaje, pero hay una relacion definida entre el voltaje generado por el termopar y la cantidad de calor detectado por el.

3.5 PIROMETROSLos pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante (en J /s por unidad de área) emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin) del cuerpo, es decir, W = ET4.Los pirometros de radiacion miden la temperatura de un cuerpo a distancia en funcion de su radiacion.Se clasifican en:

3.5.1 PIROMETRO OPTICOLos 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 1 300º 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.

Diagrama Esquemático de un pirómetro óptico

3.5.2 PIROMETRO INFRARROJOEl pirómetro de infrarrojos capta la radiación

espectral del infrarrojo, invisible al ojo humano, y puede medir temperaturas menores de 700 ºC, supliendo al pirómetro óptico que sólo puede trabajar eficazmente a temperaturas superiores a 700 ºC, donde la radiación visible emitida es significativa.

3.5.3 PIROMETRO FOTOELECTRICO

El pirómetro fotoeléctrico, al tener un detector fotoeléctrico, es mucho más rápido que los sensores térmicos, pero debe mantenerse refrigerado a muy baja temperatura mediante nitrógeno líquido para reducir el nivel de ruido eléctrico.

El instrumento con detector fotoeléctrico de uso general tiene un campo de trabajo de 35 a 1200 ºC, pudiendo enfocar desde 1 m hasta el infinito, posee una constante de tiempo de 2, 20 o 200 ms y una señal de salida de 10 mV.

3.5.4 PIROMETRO DE RADIACION TOTALEl pirómetro de radiación total está formado por una lente de

pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida, para aumentar sus propiedades de absorción y proporcionar la fuerza electromotriz máxima F.E.M.

Mide la temperatura captando toda o una gran parte de la radiacion emitida por el cuerpo. Mide temperaturas mayores a 700 ºC.