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Tema 8: Medida de temperaturas. ME
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TEMA 8: MEDIDA DE TEMPERATURAS.
1. Introduccin.
Antes de comenzar con el tema debemos de definir una serie de
conceptos:
- Termologa: parte de la fsica que estudia los fenmenos en los
que
intervienen el calor y la temperatura.
- Termometra: parte de la termologa que trata de la medicin de
las
temperaturas.
- Termmetro: instrumento que sirve para medir la
temperatura.
- Pirometra: medida y estudio de las temperaturas muy elevadas
hasta
unos 1000C
- Pirmetro: instrumento para medir temperaturas muy
elevadas.
Cuando se necesitan mediciones de alta precisin de altas
temperaturas, se emplean
diferentes termmetros y pirmetros dependiendo del rango de
temperaturas que
queramos medir:
- Termmetros de resistencia de hilo de platino: -200C a 900C
- Pirmetros termoelctricos platino platino-rodio: 0C a 1100C
- Pirmetros pticos de radiacin total: para temperaturas por
encima de los
1100C.
Finalmente, nos falta aadir que los hornos estn limitados a
causa del
instrumento de medida.
2. Contacto directo
Los termmetros por contacto directos se basan en la variacin de
diferentes
variables fsicas como pueden ser el volumen, la conductividad,
el potencial elctrico.
2.1 TERMMETRO DE DILATACIN.
Los termmetros de dilatacin de cuerpos slidos se basan en la
variacin de
dilatacin que sufren los materiales debido a sus coeficientes de
dilatacin. Esta
caracterstica de los materiales se expresa cuantitativamente a
travs del coeficiente de
dilatacin, el que depende de la naturaleza de la sustancia que
compone el cuerpo.
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Se les clasifica, segn el estado de la sustancia
termomtrica:
- Termmetros de dilatacin de cuerpos slidos:
1. Termmetrosbimetlicos: se basan en la diferencia de
dilatacin
que experimentan dos sustancias slidas al ser calentadas. Con
coeficientes de dilatacin
muy diferentes. Este termmetro se utiliza hasta los 200C con
mrgenes de error de 2C.
Los materiales empleados suelen ser el Invar (Fe-Ni) con
coeficiente y el latn (Cu-
Zn) con coeficiente .
- Termmetros de dilatacin de lquidos: se basan en la dilatacin
que
experimentan algunos lquidos al variar la temperatura. Mide
temperaturas comprendidas
entre -40 y 500 C.
1. Termmetros de cristal: constituidos por un depsito o
bulbo
situado en la parte inferior del instrumento unido por su parte
superior a un conducto.
El ms empleado es el de mercurio que aguanta hasta unos 300C
debido al margen que tiene con respecto a la temperatura de
ebullicin. Su precisin se
encuentra entre 0 y 100C, a partir de dicha temperatura el
coeficiente de dilatacin ya no
es constante.
Otro tambin muy empleado es el de alcohol que aunque tiene
menor precisin, su lectura es muy sencilla y es capaz de medir
temperaturas muy bajas
debido a que el alcohol no se congela.
- Termmetros metlicos: bulbo y tubo capilar de hierro ms un
manmetro. Registran el aumento de presin. Mide temperaturas
entre 0 y 450C.
Se caracterizan por ser menos frgiles y por tener la opcin de
tener
por separado el manmetro del tubo capilar hasta unos 30m por lo
que no es necesario
estar pegado a la zona de medicin.
- Termmetros de gas: se basan en la dilatacin de gases o
vapores
mediante el registro del aumento de presin que experimenta el
gas al aumentar la
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temperatura. Cuanto ms se parezca a un gas perfecto ms exacta es
la medida que
proporciona por lo que se suele emplear hidrogeno o
nitrgeno.
Se compone de un bulbo de metal, un tubo capilar y un manmetro.
Es
capaz de registrar temperaturas entre -50 y 500 C.
- Termmetros de vapor a presin: el bulbo contiene un lquido
voltil
como el alcohol etlico, cloruro de etilo o cloruro de metilo y
el tubo capilar glicerina. Para
temperaturas de 20 a 250 C.
2.2 TERMMETRO DE RESISTENCIA ELCTRICA.
Los termmetros de resistencia elctrica se basan en la variacin
de resistencia
elctrica de un conductor metlico al cambiar la temperatura, es
decir, estudia la
conductividad.
El elemento consiste en un arrollamiento de hilo muy fino del
conductor
adecuado, bobinado entre capas de material aislante y protegido
con un revestimiento de
vidrio o cermica, se introduce en un bulbo, el cual se pone en
contacto con el material. El
material que forma el conductor, se caracteriza por el
coeficiente de temperatura de
resistencia este se expresa en un cambio de resistencia en
ohmios del conductor por grado
de temperatura a una temperatura especfica. Para casi todos los
materiales, el coeficiente
de temperatura es positivo, pero para otros muchos el
coeficiente es esencialmente
constante en grandes posiciones de su gama til.
El alambre es de nquel o de platino de una pureza elevada,
inoxidables y con una
elevada resistencia elctrica debido a que es la variable que
necesito medir.
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Si el alambre es de Ni registra temperaturas entre -100 y 150C
mientras que el Pt
aguanta hasta 900C.
Finalmente, adems de para medir se emplean para controlar el
funcionamiento de
los pirmetros.
2.3 PIRMETROS TERMOELCTRICOS.
Los pirmetros termoelctricos se basan en la medicin de la fuerza
electromotriz
que se crea entre el extremo soldado caliente de un par de hilos
metlicos de diferente
composicin y el extremo fro de los hilos.
La temperatura es medida a travs del galvanmetro que nos da el
resultado en
voltios. Para obtener grados nos basamos en que la fem es
proporcional a la diferencia de
temperaturas entre el extremo caliente y el frio.
Es el ms empleado en la industria para medir temperaturas entre
200 y 1.300C
El efecto de estos termmetros se basan en:
- Efecto Thomson: si en dos puntos de un conductor hay
diferentes
temperaturas, entre ellos se crea una fem. que da lugar a un
paso de corriente elctrica. Es
reversible. Esto se traduce a que al aumentar la temperatura de
un hilo conductor, aumenta
la fem, es decir, el nmero de electrones que pasa.
Si la composicin qumica de los hilos conductores es constante
entonces
este efecto depende del tiempo debido a que a medida que pasa el
incremento de
temperaturas es cada vez menor hasta que se hace nulo y deja de
pasar corriente, por lo que
desaparece.
- Efecto Peltier: cuando pasa una corriente a travs de un
circuito formado
por dos metales se produce o absorbe calor en la unin de los dos
metales. Que se
produzca o absorba calor es funcin del sentido de la corriente,
es decir, hay una
direccionalidad en la corriente.
- Efecto Seebeck: es la combinacin del efecto Thomson y el
efecto
Peltier, es decir, en un circuito cerrado formado por dos
metales, si sus uniones estn a
diferentes temperaturas, se origina el paso de una corriente.
Este efecto tambin se produce
cuando al calentar la soldadura de dos metales diferentes
manteniendo los extremos a
temperatura ambiente se produce una fem entre ellos que es
funcin del gradiente de
temperatura.
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Por otro lado, existen diferentes tipos de termopares en funcin
de su
composicin qumica, los metales ms empleados son: Cu, Fe y Pt,
las aleaciones ms
empleadas son:
Termopar Temperatura (C) fem
(V/C)
Utilizacin
Positivo Negativo Tnormal Tmx.
Cu Constantan -200-350 600 51 Ms barato
Hierro Constantan -200-700 1000 58 Temperaturas criognicas
Chromel Constantan 200-700 1000 76 Estufas
Chromel Alumel 200-1200 1350 54,13 Hornos industriales
Pt-Rh 13% Platino 0-1450 1700 120,03 Elevadas temperaturas
Pt-Rh 10% Platino 0-1450 1700 17,84
Las aleaciones se componen de constantan (60% Cu 40% Ni),
chromel (90% Ni-
10% Cr), alumel (94% Ni, 3% Mn, 2% Al, 1% Si) y platino-rodio
(87% Pt- 13% Rh 90%
Pt-10% Rh).
Finalmente, nos falta sealar que cuanto menor sea la fem mayor
precisin se
necesita.
Los termopares se caracterizan por:
1 Relacin entre la variacin de la f.e.m. y la T lo ms directa
posible para
evitar errores.
2 Altas f.e.m.
3 Alta resistencia a la oxidacin y a la corrosin, para que
tengan buena
aptitud a elevadas temperaturas.
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Por otro lado, debido a que los termopares nunca se colocan
directamente sobre la
superficie para evitar choque, roturas y contaminacin es
necesario recubrirlos con un tubo
que puede ser:
- Metal: aleaciones que soportan elevadas temperaturas como el
acero, el
acero inoxidable (18-8), acero refractario (25-20 25% Cr),
Inconel (75% Ni 15%Cr
2,5% Ti), nquel y nquel-cromo (60-1,5). Llegan a aguantar
temperaturas de entre 400 y
1100C.
- Refractarios: como el slico aluminosos, la slice, el grafito,
el corindn
(99,6% Al2O3 0,2% Fe2O3), la porcelana, la silimanita o la
mullita. Se caracterizan por
aguantar temperaturas hasta los 1700C, por ser ms econmicos pero
tambin mucho ms
frgiles.
Tal y como hemos comentado, lo que medimos con los pirmetros
termoelctricos
son microvoltios que mediante la siguiente relacin obtenemos los
grados centgrados:
Dnde:
transforma los V del termopar a C.
compensacin cuando la temperatura del foco frio es
diferente a cero grados centgrados.
parmetro cuyo valor depende de la composicin qumica del
termopar y de la temperatura del foco caliente. Su temperatura
vara entre 03 y 1.
Por otro lado, cuando el instrumento de medida est a una cierta
distancia tienes
dos opciones:
1 Hilos de compensacin: unin entre el aparato de medida y el
termopar.
2 Prolongacin de los hilos del termopar.
Los hilos de compensacin son de metales especiales diferentes al
material del
termopar. Aunque el tipo de metal empleado depende del termopar,
de forma general, se
emplea Cu con una aleacin para compensar la fem que crea el Cu,
adems de los errores
de medida.
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La disposicin de los hilos de compensacin puede ser:
1 Unin directa: termopar + hilos de compensacin + aparato de
medida
+ foco fro + foco caliente.
2 Unin indirecta: aparato de medida + hilos conductores + hilos
de
compensacin + foco fro + foco caliente. En la unin entre el hilo
de compensacin y el
hilo conductor est el foco fro.
Emplear la unin directa o la unin indirecta depende de la
distancia a la que este el
aparato.
3. Radiacin
Los termmetros por radiacin miden la influencia que tienen sobre
la parte
sensible, la energa que emiten los cuerpos, debido a que todos
los materiales cuando se
calientan emiten radiacin.
Se emplean para medir altas temperaturas que oscilen entre los
650C y los 2000C.
Dependen de:
1. Temperatura.
2. Naturaleza del material.
3. Propiedades superficiales del material.
Esta constituido por un rango de longitudes de onda que a medida
que se va
modificando la temperatura, tambin lo har la radiacin emitida y
por tanto las longitudes
de onda. Esta variacin es de forma inversa, es decir, si aumenta
la temperatura, disminuye
la longitud de onda y viceversa.
3.1 PIRMETROS DE RADIACIN TOTAL.
Miden la elevacin de temperatura que experimenta el elemento
sensible del aparato
al calentarse como consecuencia de la radiacin recibida, es
decir, miden todas las
radiaciones que emite el cuerpo.
Se subdividen en:
1. Instrumentos que realizan la medicin con termopar.
2. Medicin con bimetal.
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3. Medicin por variacin de resistencia elctrica.
Los elementos sensibles son:
1. Extremo soldado de un termopar a elevada temperatura.
2. Espiral bimetlica.
3.2 PIRMETROS DE RADIACIN TOTAL.
Slo registran radiaciones dentro del campo visible, generalmente
del rojo. Mide
por comparacin de la intensidad del cuerpo con filamentos patrn,
evaluando el brillo y el
color obteniendo un margen de temperaturas.
Existen dos tipos:
1. Se compara la luz del cuerpo radiante con una escala de
colores.
2. Se compara el color del cuerpo caliente con el de otro cuya
temperatura
se conoce.
El mtodo dos es ms preciso que el uno.
Las ventajas de estos pirmetros son:
1. Los ms empleados para altas temperaturas en zonas de difcil
acceso o
en zonas muy locales.
2. Elevada sensibilidad.
3. Se pueden transportar fcilmente.
Las desventajas de estos pirmetros son:
1. Necesitan una fuente de energia elctrica externa debido a que
el
filamento aumenta su temperatura al aumentar la corriente.
3.3 PIRMETROS FOTOELCTRICOS.
El elemento sensible es una clula fotoelctrica. Miden la f.e.m.
generada en
el elemento sensible al recibir las radiaciones emitidas por el
cuerpo
Existen dos tipos: clulas de vaco y clulas regenerativas
