MEDIDA DE TEMPERATURA

MEDIDA DE LA TEMPERATURA

El instrumento para medir la temperatura se conoce como termómetro. Dentro de los más utilizados están:

• Termocuplas.

• Resistencias.

• Termómetros de líquidos.

• Termómetros bimetálicos.

• termómetros de radiación.

• Pirómetros ópticos.

TERMOCUPLAS

Consiste en un aparato capaz de producir una fuerza electromotriz cuando se somete a un cambio de temperatura.

Cuando un conductor se somete a un gradiente de temperatura estático, los niveles de energía que dependen de la temperatura cambian

Hay una gran cantidad de electrones con alta energía en el lado caliente del conductor, los cuales se mueven hacia el lado más frío. El resultado es una separación de cargas dentro del material, el cual, a su vez, produce una diferencia de potencial.

EFECTO SEEBACK

La cantidad de potencial producida por unidad de temperatura se conoce como coeficiente Seeback.

En una unión de dos metales diferentes, que forman un circuito, se produce una fem proporcional a la diferencia de los coeficientes Seeback de cada metal.

Un ejemplo de una termocupla se presenta en la figura 1.

Figura 1. Diagrama de funcionamiento de una termocupla.

Tabla 1. Materiales utilizados para la fabricación de termocuplas.

RESISTENCIAS

Un cambio en la temperatura de un elemento resistivo, produce un cambio en el valor de su resistencia.

Las resistencias de platino (PRT), están disponibles en dos tipos: precisión e industrial.

Los termómetros de resistencias de platino (PRT) de precisión son utilizados como estándares en Laboratorios de Estándares y se conoces como SPRT.

Las SPRT tienen valores nominales desde 25 hasta 100Ω, a 0°C.

Las SPRT de 100Ω a 0°C se conocen como Pt-100. Son utilizadas para medidas industriales. Están fabricadas con cables o cintas de platino.

Las Pt-100 de cable, son construidas con una aleación de platino y un metal del mismo grupo del platino.

• Níquel.

• Cobalto.

• Hierro.

• Paladio.

La aleación con estos metales produce un material con un coeficiente de temperatura cercano a 0.003.

Un cable bifilar, se enrolla en un vidrio o en un material cerámico que se unen a unos conectores sellados con un recubrimiento cerámico (figura 2)

Las PRT se pueden utilizar en un rango de temperaturas entre -200 y 850°C

Figura 2. Componentes de una Pt-100.

La tolerancia de una PRT se define como la máxima desviación permitida expresada en °C.

En la ecuación t es el módulo de la temperatura medida por el sensor. Para una Pt-100, los valores de tolerancia para diferentes valores de temperatura, se muestran en la tabla 2.

Tabla 2. Valores de tolerancia para una Pt-100

TERMÓMETROS LÍQUIDOS

Aplica el principio de expansión de un líquido en un capilar debida al cambio de la temperatura. La temperatura se lee por la posición del menisco en una escala graduada.

Los termómetros de mercurio son los más conocidos, pero también pueden ser fabricados con alcohol.

El rango de los termómetros de mercurio-vidrio, tienen un rango entre -20 y 600°C, la máxima resolución obtenible es de 0.01°C.

Una característica importante en este tipo de termómetros es la profundidad de inmersión.

Se utilizan tres condiciones de inmersión:

1. Inmersión total: se sumerge hasta unos pocos milímetros del menisco cuando se toma la lectura.

2. Inmersión parcial: el termómetro se sumerge solo hasta la marca designada en el cuerpo del termómetro.

3. Inmersión completa: se sumerge completamente el termómetro.

TERMÓMETROS BI-METÁLICOS

La diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre dos metales, es utilizada en los termómetros bi-metálicos. Los dos metales se enrollan en forma de hélice, la diferencia de coeficiente de expansión produce una curvatura mayor en uno de los metales.

Esto a su vez produce que la hélice se desenrolle, lo cual se puede leer como un torque en el sistema.

El rango de estos termómetros está entre -100 y 400°C y su precisión es del ±1%.

Figura 3. Diseño de un termómetro bimetálico

TERMÓMETROS DE RADIACIÓN

Todos los cuerpos a una temperatura mayor al cero absoluto, emiten radiación desde su superficie.

Figura 4. Radiación de un cuerpo a diferentes temperaturas.

La figura 4 permite concluir lo siguiente:

1. La cantidad de energía térmica de un cuerpo incrementa, cuando se incrementa su temperatura. El área bajo la curva representa esto.

2. A medida que la temperatura incrementa, más energía se produce en un intervalo corto de longitudes de onda, y así hay mucha energía en el rango visible del espectro.

En un termómetro de radiación se utilizan estas características. La energía radiante se enfoca por medio de lentes a un detector de radiación. La señal eléctrica del detector es proporcional a la cantidad de radiación recibida.

Los tipos de detectores utilizados actualmente se presentan en la siguiente tabla:

Tabla 3. Características de los detectores de un termómetro de radiación.

Tabla 4. Tipos de termómetros de

radiación.

CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS

La calibración de los termómetros se puede llevar a cabo de dos formas: calibración por punto fijo y calibración por comparación.

La calibración por punto fijo se realiza fijando unos puntos de temperatura en un baño térmico o en un horno. Este tipo de calibración produce valores de incertidumbre bajos y es aplicable a instrumentos que se utilizan como estándares secundarios.

La calibración por comparación se realiza ayudado de un estándar secundario, el cual se sumerge en un baño térmico junto al termómetro a calibrar. Se utiliza principalmente para calibrar equipos industriales.

MEDIDAS ELÉCTRICAS

MEDIDA DE CORRIENTE

Para realizar la medida de la corriente se utiliza principalmente una balanza de corriente.

Figura 5. Balanza de corriente.

MEDIDA DE VOLTAJE

El estándar primario para la medida del voltaje es la juntura Josephson. Esta juntura se fabrica situando dos semiconductores separados por una barrera dieléctrica. Cuando una corriente AC llega a la juntura, se irradia una micro-onda, un voltaje DC proporcional a la frecuencia de la micro-onda se produce en la juntura.

Una serie de voltajes DC aparecen en la juntura debido al tunelamiento cuántico. El voltaje DC está dado por la ecuación:

CALIBRACIÓN DE MULTIMETROS

Para lograr una buena calibración, se debe tener en cuenta 3 propiedades:

Repetitividad.

Linealidad

Histéresis