Termometría

Temperatura

La temperatura de un cuerpo es una medida de su estado relativo de calor o frío. Cuando tocamos un cuerpo, nuestro sentido del tacto nos permite hacer una estimación aproximada de su temperatura, de modo análogo a como la sensación de esfuerzo muscular nos permite apreciar aproximadamente el valor de una fuerza. Sin embargo, es evidente que nuestro sentido del tacto es demasiado limitado en su alcance y no lo suficientemente preciso para ser de algún valor en los trabajos técnicos o científicos. Para la medida de la temperatura tenemos que hacer uso de alguna propiedad física medible, que varíe con aquella. Cualquier instrumento utilizado para la medición de temperatura se denomina termómetro.

Termómetros

Algunas de las propiedades físicas que varían con la temperatura son: la longitud de una barra, el volumen de un liquido, la resistencia eléctrica de un alambre o el color del filamento de una lámpara, y, en efecto, todos estos cambios son utilizados en la construcción de distintos tipos de termómetros.

Otros métodos termométricos

El mercurio se solidifica a -40 ºC, y su presión de vapor se hace excesivamente alta a temperaturas por encima de los 360 ºC; por consiguiente, el empleo del termómetro de mercurio en recipiente de vidrio queda limitado a dicho intervalo de temperaturas. El limite inferior del intervalo de utilización de los termómetros de líquidos en recipientes de vidrio puede extenderse empleando líquidos como el alcohol o el pentano, que solidifican a -130 ºC y -200 ºC respectivamente.

Termómetro de resistencia

Se basa en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales aumenta al crecer la temperatura. El termómetro se compone de un alambre fino, generalmente de platino, arrollado sobre una armadura de mica y encerrado dentro de un tubo de plata de paredes delgadas que sirve de protección. Mediante hilos de cobre se une el termómetro a un dispositivo para medir resistencias, el cual pude estar colocado en un sitio conveniente. Puesto que la resistencia puede medirse con mucha precisión, el termómetro de resistencia es uno de los instrumentos mas precisos para la medida de temperaturas, pudiendo alcanzarse una aproximación de 0,001 ºC. El intervalo de utilización de este termómetro de resistencia de platino abarca, aproximadamente, de -250 ºC hasta 1760 ºC, punto de fusión del platino.

Coeficiente de temperatura de la resistencia

El cambio de resistencia de un material en respuesta a una variación de la temperatura se conoce como “coeficiente de la resistencia”. El coeficiente se expresa como un cambio de resistencia en ohms y por ohm por grado de temperatura a una temperatura especifica. Para casi todos los metales, el coeficiente de temperatura es positivo; para muchos metales puros, el coeficiente es esencialmente constante en grandes porciones de su gama útil.

Par termoeléctrico

Consiste en un circuito eléctrico. Cuando se sueldan dos hilos de metales distintos formando un circuito cerrado, se produce en el una fuerza electromotriz siempre que las soldaduras A y B estén a distintas temperaturas.

La fuerza electromotriz, para un par de metales dados, depende de la diferencia de temperatura entre sus soldaduras. El par termoeléctrico puede utilizarse como termómetro colocando una soldadura en contacto con el cuerpo cuya temperatura se quiere medir, manteniendo la otra a una temperatura conocida (generalmente 0 ºC ), y midiendo la fuerza electromotriz. Las soldaduras B y C se mantienen a 0 ºC mediante hielo y agua en un vaso Dewar; la soldadura A se coloca en contacto con el cuerpo cuya temperatura se desea medir, y el galvanómetro G indica la fuerza electromotriz. En el cuadro se representa las fuerzas electromotrices producidas por algunas de las parejas de metales utilizadas corrientemente en los pares termoeléctricos, para varias temperaturas de las soldadura calienta, cuando la soldadura fría se mantiene a 0 ºC.

 

Termómetros llenos

Los termómetros de sistema lleno se diseñan para proporcionar una medición de la temperatura a cierta distancia del punto de medición. El elemento sensible o de medición (bulbo o ampolla) contiene un gas o un liquido que cambia de volumen, presión o presión de vapor con la temperatura. Este cambio se comunica por medio de un tubo capilar al tubo de Bourdon u otro dispositivo sensible a la presión o el volumen. El tubo de Bourdon responde de tal manera que proporciona un movimiento relacionado en una forma muy especifica con la temperatura del bulbo. Los sistemas que responden a cambios de volumen están completamente llenos con un liquido, en tanto los que responden a cambios de presión están llenos de gas, o bien, parcialmente con un liquido volátil. Los cambios en la presión de gas o el vapor en respuesta a las alteraciones de las temperaturas del bulbo, se transmiten por el capilar hasta el Bourdon. Estos últimos bulbos se construyen, a veces, de tal manera que el capilar se llena con un liquido no volátil.

El movimiento del Bourdon se utiliza directamente o se amplifica por medio de un enlace mecánico o sistema de engranaje, para impulsar una aguja de un indicador de la temperatura o para mover una pluma de un registrador de temperaturas. Los bulbos llenos de fluido comunican la suficiente potencia como para mover mecanismos del controlador e incluso para activar de forma directa las válvulas de control. Estos dispositivos se caracterizan por una capacidad térmica sustancial que, en ocasiones, genera una respuesta lenta, sobre todo cuando están encerrados en un poso térmico para efectuar mediciones de procesos.

Aplicación

Los termómetros llenos se utilizan con mucha frecuencia en procesos industriales por muchas razones.

La simplicidad de estos dispositivos permite lograr construcciones resistentes, minimizando la posibilidad de fallas por daños con una cantidad casi siempre mínima de mantenimiento. En casos de fallas del sistema, toda la unidad debe sustituirse o repararse. Su simplicidad puede permitir incluso un diseño general poco costoso del equipo de control.

Tal como se utilizan normalmente en las industrias de proceso, la sensibilidad y el porcentaje de exactitud de alcance son, casi siempre, semejantes a otros instrumentos de calidad del tipo industrial para la determinación de temperaturas. La sensibilidad y la precisión absoluta no son equiparables a las de algunos instrumentos eléctricos de corta duración que se utilizan en conexión con bulbos de termómetros de resistencia. Asimismo, la máxima temperatura es más limitada que en ciertos dispositivos eléctricos de medición. El capilar permite una separación considerable entre el punto de medición y el punto en que se indica la temperatura; pero comúnmente se limita a 250 pies. Con frecuencia, es más económico usar transmisores para llevar la señal a distancias superiores a 100 pies.

Termómetros bimetálicos

El bimetal termoestatico se define como un material compuesto que consta de tiras de dos o mas metales unidos entre si. Debido a los diferentes índices de expansión de sus componentes, esta composición tiende a cambiar de curvatura cuando se somete a una variación de temperatura.

Cuando se mantiene fijo un extremo de la franja recta, y el otro sufre una deflexión proporcional al cambio de temperatura y el cuadrado de la longitud, y en sentido inverso al espesor, a lo largo de la porción lineal de la curva característica de deflexión.

Si una cinta bimetalica se enrolla en forma helicoidal o como espiral y se fija uno de sus extremos, el otro girara al aplicársele calor. Para un termómetro con divisiones de escala uniformes, el elemento bimetalico se debe diseñar de tal manera que tenga una deflexión lineal a lo largo de la gama de temperatura deseada.

Tipos de elementos

Los tres tipos de elementos más usados en termómetros bimetálicos son la espiral plana, la hélice simple y la hélice múltiple.

Los termómetros bimetálicos se destinan a utilizarse a temperaturas que oscilan entre 1000ºF hasta -300ºF e incluso a niveles inferiores. Sin embargo, a temperaturas bajas, el índice de deflexión se reduce con suma rapidez. Los termómetros bimetálicos no tienen una estabilidad muy prolongada a temperaturas superiores a 800 ºF.

Tanto las cintas como las espirales bimetálicas constituyen la base sensora para una gran variedad de conmutadores y controles termostáticos. La expansión diferencial entre dos metales, que no están totalmente unidos en toda su longitud, constituye la base de otro grupo de conmutadores de temperatura y controles termostáticos.

Pirómetro de radiación

Son aquellos que miden el índice de emisión de energía por unidad de área, en una gama relativamente ancha de longitudes de onda, que compara la radiación con dos longitudes de ondas. Los dispositivos de banda ancha se clasifican como pirómetros de radiación total

Pirómetro óptico

Consiste en esencialmente en un anteojo, en cuyo tubo se ha montado un filtro, A, de vidrio rojo, y una pequeña lámpara de incandescencia , B. Cuando el pirómetro esta dirigido hacia el horno, un observador que mire a través del anteojo ve el filamento oscuro contra el fondo brillante del horno. Se conecta la lámpara a una batería D, y haciendo girar el mando del reóstato puede aumentarse gradualmente la corriente que pasa por el filamento, y con ello su brillo hasta que sea igual al del fondo. Calibrando previamente el instrumento, utilizando temperaturas conocidas, puede graduarse la escala del amperímetro E, de modo que se lea directamente la temperatura. Puesto que no es necesario poner ninguna parte del aparato con el cuerpo en caliente, el pirómetro óptico puede usarse a temperaturas superiores a las de los puntos de fusión de los metales que forman los termómetros de resistencia o los pares termoeléctricos.

Termómetro de gas de volumen constante

Utiliza los cambios de presión de un gas cuyo volumen se mantiene constante. El gas generalmente Hidrogeno o Helio, esta contenido en el deposito C, y la presión ejercida sobre el puede medirse con un manómetro de mercurio abierto. Cuando se eleva la temperatura del gas, se dilata y obligando al mercurio a descender en el tubo B y a elevarse en el tubo A. Los tubos A y B están unidos por un tubo flexible de goma D, y elevando A puede hacerse que el nivel del mercurio en B vuelva a la señal de referencia E. De este modo, el gas se mantiene a volumen constante.

Comparación del termómetro de hidrogeno de volumen constante

con otros termómetros

Termómetro de hidrogeno de volumen constante	Termómetro de mercurio en recipiente de vidrio	Termómetro de resistencia de platino	Par termoeléctrico Platino, Platino rodio
0ºC	0ºC	0ºC	0ºC
20	20,091	20,240	20,150
40	40,111	40,360	40,297
60	60,086	60,360	60,293
80	80,041	80,240	80,147
100	100	100	100

 

Tabla de puntos fijos

punto de ebullición del hidrogeno	-252,78 ºC
punto de ebullición del nitrógeno	-195,81 ºC
punto de solidificación del mercurio	-38,87 ºC
punto de fusión del hielo	0,00 ºC
punto de ebullición del agua	100,00 ºC
punto de ebullición del azufre	444,60 ºC
punto de fusión de la plata	960,50 ºC
punto de fusión del oro	1063,00 ºC