MEDIDA DE TEMPERATURA
Introducción La temperatura es una de las mas comunes y también de las magnitudes fundamentales en la mayoría de los procesos industriales. Casi todos los fenómenos físicos son afectados por esta magnitud, pues la misma interferirá directa o indirectamente en cualquier proceso, esta magnitud se la utiliza frecuentemente para inferir en el valor de otras variables del proceso, es así que modificándola se pueden modificar los resultados de manera drástica, dependiendo de esto la salida. Existen infinidad de procesos que son influidos por la temperatura y se los utiliza para medirla:
Variación en volumen o en estado de los cuerpos (solidos, (solidos, líquidos o gases). Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia) Variación de resistencia de un semiconductor (termistores) La f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares). (termopares). Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros (pirómetros de radiación). Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.)
Es así que utilizando estos cambios ocasionados por la temperatura en ciertos materiales, se los a adaptado para los siguientes instrumentos de medida: termómetro de vidrio, termómetros bimetálicos, elementos primarios de bulbo y capilar rellenos de liquido, gas o vapor, termómetros de cristal de cuarzo. TERMOMETRO DE VIDRIO
El termómetro ordinario consta esencialmente de un depósito de vidrios de paredes muy delgadas, delgadas, para que las variaciones variaciones de calor se transmitan con rapidez al líquido contenido contenido en su interior. Dicho depósito depósito se prolonga prolonga en un tubo capilar delgado, delgado, por el que asciende asciende el líquido, al dilatarse indicando la temperatura. Origen del termómetro El inventor del termómetro se estima que fue Galileo Galilei en 1592. Consistía básicamente en un tubo de vidrio, que en su parte inferior tenía una esfera en la que se introducía un líquido que al calentarse subía por el tubo. Al principio el material utilizado fue agua, pero notaron que llegado un punto ésta se congelaba (a los 0 grados Celsius o a los 32 grados Fahrenheit). De tal manera que el agua fue remplazada por el alcohol, que no sufre esa reacción. Luego, en 1612, Santorre Santorio le introdujo una graduación numérica al invento de Galileo y le dio un uso medicinal. Por último, Gabriel Fahrenheit, en el año 1724, logra el primer termómetro a base de mercurio, perfeccionando así el “termómetro de Galileo”. Otros adjudican este avance a Torricelli, en Italia e
incluso científicos dinamarqueses que habrían sido postergados por la fama de los otros. El que pasó a la historia será sin duda Fahrenheit, con su escala arbitraria que decidía que entre el punto de congelamiento del agua y el de hervor debían pasar 180 grados. Celsius vendrá después con su escala, también arbitraria, que ponía esa distancia en 100 grados. Esto sucedió en 1742. Tipos y Usos TERMÓMETRO DE VIDRIO: Son los más económicos, pueden medir la temperatura de forma precisa y de fácil medición, pero requieren mayor tiempo para hacer las mediciones (oral y rectal 3 minutos, axilar 8 a 10 minutos). Al ser de vidrio pueden romperse con facilidad, por lo que no son aconsejados debido a que el vidrio roto y su contenido de mercurio (tóxico) son dañinos para la salud, tienen la punta sólida y son de difícil lectura porque se debe buscar el ángulo en cual se puede visualizar la banda de mercurio, su principio de funcionamiento es la expansión del mercurio al calentarse, el mercurio sube por el tubo capilar y marca la medida. El margen de trabajo de los fluidos empleados son: Mercurio
-35ºC hasta +280 ºC
Mercurio (tubo capilar capilar lleno de gas) -35ºC hasta +450 ºC Pentano
-200ºC hasta +20ºC
Alcohol -110ºC hasta +50ºC Tolueno
-70ºC hasta +100ºC
El termómetro ordinario consta esencialmente de un depósito de vidrios de paredes muy delgadas, delgadas, para que las variaciones variaciones de calor se transmitan con rapidez al líquido contenido contenido en su interior. Dicho depósito depósito se prolonga prolonga en un tubo capilar delgado, delgado, por el que asciende asciende el líquido, al dilatarse indicando la temperatura. Origen del termómetro El inventor del termómetro se estima que fue Galileo Galilei en 1592. Consistía básicamente en un tubo de vidrio, que en su parte inferior tenía una esfera en la que se introducía un líquido que al calentarse subía por el tubo. Al principio el material utilizado fue agua, pero notaron que llegado un punto ésta se congelaba (a los 0 grados Celsius o a los 32 grados Fahrenheit). De tal manera que el agua fue remplazada por el alcohol, que no sufre esa reacción. Luego, en 1612, Santorre Santorio le introdujo una graduación numérica al invento de Galileo y le dio un uso medicinal. Por último, Gabriel Fahrenheit, en el año 1724, logra el primer termómetro a base de mercurio, perfeccionando así el “termómetro de Galileo”. Otros adjudican este avance a Torricelli, en Italia e
incluso científicos dinamarqueses que habrían sido postergados por la fama de los otros. El que pasó a la historia será sin duda Fahrenheit, con su escala arbitraria que decidía que entre el punto de congelamiento del agua y el de hervor debían pasar 180 grados. Celsius vendrá después con su escala, también arbitraria, que ponía esa distancia en 100 grados. Esto sucedió en 1742. Tipos y Usos TERMÓMETRO DE VIDRIO: Son los más económicos, pueden medir la temperatura de forma precisa y de fácil medición, pero requieren mayor tiempo para hacer las mediciones (oral y rectal 3 minutos, axilar 8 a 10 minutos). Al ser de vidrio pueden romperse con facilidad, por lo que no son aconsejados debido a que el vidrio roto y su contenido de mercurio (tóxico) son dañinos para la salud, tienen la punta sólida y son de difícil lectura porque se debe buscar el ángulo en cual se puede visualizar la banda de mercurio, su principio de funcionamiento es la expansión del mercurio al calentarse, el mercurio sube por el tubo capilar y marca la medida. El margen de trabajo de los fluidos empleados son: Mercurio
-35ºC hasta +280 ºC
Mercurio (tubo capilar capilar lleno de gas) -35ºC hasta +450 ºC Pentano
-200ºC hasta +20ºC
Alcohol -110ºC hasta +50ºC Tolueno
-70ºC hasta +100ºC
TERMÓMETRO BIMETÁLICO Este termómetro se fundamenta 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 laminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices. La relación entre el ángulo de torsión de la lamina bimetálica y la temperatura viene expresada por:
con: a coeficiente de expansión térmica. l = longitud de la lamina bimetálica. s= espesor de la lamina bimetálica. Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles, solo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes, y el conjunto esta construido con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento. El uso de este termómetro es admisible para servicio continuo de 0ºC a 400ºC. para indicación local se usan, preferiblemente, los termómetros bimetálicos de esfera orientable. De este modo, el operario puede leer la temperatura a distancia desde niveles distintos, al de la instalación. La exactitud del instrumento es de +- 1% y su campo de medida es de -200 ºC a +500 ºC.
TERMOMETROS DE BULBO Y CAPILAR Consiste esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el liquido en el bulbo se expande y la espiral se desenrolla moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo.
Existen cuatro clases de este tipo de termómetros: Clase I termómetros actuados por líquidos. Clase II termómetros actuados por vapor. Clase III termómetros actuados por gas. Clase IV termómetros actuados por mercurio
Clase I termómetros actuados por líquidos. Se caracterizan en que la dilatación es proporcional a la temperatura, por lo que la escala de medición resulta uniforme. Los líquidos que se utilizan son alcohol y éter. Clase II termómetros actuados por vapor. Estos termómetros contienen un liquido volátil y se basan en el principio de presión de vapor. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor de liquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala. La presión en el sistema depende solamente de la temperatura en el bulbo.
Si la temperatura del bulbo es mayor que la temperatura ambiente, el capilar y el elemento de medición están llenos de liquido (clase IIA), siendo necesario corregir la indicación en la diferencia de alturas entre el bulbo y elemento de medición. Si la temperatura medida es mas baja que la ambiente, el sistema se llena de vapor (clase IIB) La clase IIC pueden trabajar como IIA y IIB . a clase II rellena el capilar el ourdón d e otro liquido no volumen para
transmitir la presión de vapor y puede funcionar temperaturas inferiores,
CLASE III: Estos sistemas son semejantes a los anteriores , operan a gas a volumen prácticamente constante el ourdón se deforma gracias al aumento de presión del gas. Basándonos en la Ecuación de Estado para los gases ideales vemos que si esta se cumple tendremos una relación lineal entre la presión en el sistema y la temperatura , siendo la posible fuente de error la falta de constancia de V y la suposición de Gas Ideal. TERMÓMETRO DE RESISTENCIA: la medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. 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.
TERMISTORES
Los Termistores son resistores térmicamente sensibles, existen dos tipos de termistores según la variación de la resistencia/coeficiente de temperatura, pueden ser negativos (NTC) o positivos (PTC). Son fabricados a partir de los óxidos de metales de transición (manganeso, cobalto, cobre y níquel) los termistores NTC son semiconductores dependientes de la temperatura. Operan en un rango de -200º C a + 1000° C. Un termistor NTC debe elegirse cuando es necesario un cambio continuo de la resistencia en una amplia gama de temperaturas. Ofrecen estabilidad mecánica, térmica y eléctrica, junto con un alto grado de sensibilidad. La excelente combinación de precio y el rendimiento ha dado lugar a una amplia utilización de los termistores NTCs en aplicaciones tales como medición y control de temperatura, compensación de temperatura y medición del flujo de fluidos. Termistor PTC Un termistor PTC es un resistor que depende de la temperatura, son fabricación de titanato de bario y deben elegirse cuando se requiere un cambio drástico en la resistencia a una temperatura específica o nivel de corriente. Los termistores PTCs puede operar en los siguientes modos: ▪
▪
Sensores de temperatura, en temperaturas que oscilan entre 60° C a 180° C, por ejemplo, para protección de los bobinados de motores eléctricos y transformadores. Fusible de estado sólido de protección contra el exceso de corriente, que van desde mA a varios A (25° C ambiente) a niveles de tensión continua superior a 600V, por ejemplo, fuentes de alimentación para una amplia gama de equipos eléctricos.
▪ Sensor de nivel de líquidos.
A continuación les dejo un vídeo que encontré (no soy el autor) donde se da una explicación, muy similar a la expuesta, sobre los termistores. Además explica el circuito básico para medir temperatura a través del censado de voltaje. Sensores de temperatura de silicio Los sensores de silicio, son circuitos integrados que aprovechan la variación predecible del voltaje de la unión base-emisor (VBE) de los transistores bipolares para realizar mediciones confiables y exactas de temperatura. Se caracterizan por su pequeño tamaño y son especialmente apropiados para aplicaciones de medición y control de temperatura en el rango de -55°C a +150°C. Además, no requieren de etapas de linealización, amplificación ni compensación externas debido a que incorporan en la misma pastilla sus propios circuitos de procesamiento de señales. La mayoría de sensores de silicio proporcionan como salida un voltaje que varía linealmente con la temperatura en grados Kelvin (°K), Celsius (°C) o Fahrenheit (°F). Algunos ejemplos representativos son el LM34, el LM35, el LM135 y el LM50, todos ellos de National Semiconductor y con una sensibilidad nominal de l0mV por grado. También se dispone de sensores con salida por corriente. Dos ejemplos representativos son el LM334 y el AD590, cuyas sensibilidades típicas son 1 mA/°K 1μA/°K, respectivamente. La integración de circuitos de procesamiento en los sensores de temperatura de silicio elimina también, en muchos casos, la necesidad de comparadores o de convertidores A/D externos para convertir la salida análoga a un nivel lógico o un código digital. Los sensores de salida por comparador, en particular, son muy útiles para detectar condiciones de falla, impulsar calefactores o enfriadores, y otras aplicaciones de control y alarma TERMOPAR Un termopar es un dispositivo de estado sólido que se utiliza para convertir la energía en voltaje. Consta de dos metales diferentes empalmados en una juntura. Pueden utilizarse como materiales para la fabricación de termopares, tales como: hierro y constantano, cobre y constantano o antimonio y bismuto. Los termopares se emplean como sensores de temperatura e instrumentos semejantes a los termómetros denominados pirómetros. En un pirómetro, el voltaje producido por un termopar origina que una corriente circule a través de un medidor eléctrico, el cual se calibra para indicar directamente el valor de la temperatura. Un termopar puede colocarse en un horno; cuando aumenta la temperatura en el horno, también aumenta el voltaje que se genera en el termopar. En consecuencia pasa más corriente por el medidor. En tal caso, el medidor indica el aumento de corriente como una temperatura mayor. Con los pirómetros se puede medir con mucha precisión, temperaturas que van desde 2700 hasta 10,800ºF (1,500 a 6,000ºC).
Los termopares comerciales se designan por letras (T,E,J,K,R) que identifican los materiales que contienen, se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico MV/ºC.
Compensación en la unión fria de los termopares Normalmente no se hallan las dos temperaturas (la de la unión fría y la que se desea medir) por separado, sino que se emplean métodos para medir directamente la tensión correspondiente a la diferencia entre ambas temperaturas. Para llevar a cabo la compensación de temperatura de la unión de referencia (unión fría) se puede optar por dos soluciones: - Compensación por Software: mediante el transductor auxiliar se determina la temperatura del bloque isotérmico y se calcula la tensión equivalente de la unión de referencia Vref. Posteriormente a la tensión medida con el voltímetro (V) se le resta Vref para encontrar la tensión del termopar (V1) y convertirla después en la temperatura equivalente tj1, que es la temperatura que realmente se desea conocer. Esta solución permite usar un único bloque isotérmico para diferentes termopares. Compensación por Hardware: en este caso, en lugar de determinar la temperatura del bloque isotérmico y posteriormente hallar la tensión equivalente Vref, lo que se hace es insertar directamente una tensión equivalente a ésta en el circuito termoeléctrico de tal manera que ambas se compensen y la medida realizada con el voltímetro (V) sea directamente la tensión correspondiente a la temperatura equivalente tj1. Esta solución es muy rápida pero está restringida a un único termopar.
CIRCUITOS GALVANOMÉTRICO, POTENCIOMETRO Y DIGITAL El galvanómetro, cuyo nombre honra a Galvani, aprovecha el efecto magnético de la corriente eléctrica. Consta, en esencia, de un imán entre cuyos polos se dispone una bobina que puede girar sobre un eje dispuesto perpendicularmente al plano del imán. Una aguja solidaria con el bastidor de la bobina hace visible, sobre una escala graduada, el posible movimiento de aquélla. Este movimiento se halla impedido en ausencia de corriente por dos muelles recuperadores o resortes en espiral. Cuando se hace pasar una corriente por la bobina, aparece una fuerza magnética entre la bobina y el imán que desvía la aguja de su posición inicial tanto más cuanto mayor es la intensidad de corriente. PIROMETROS DE RADIACION
Un pirómetro en un instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de los termómetros de mercurio. Este término abarca a los pirómetros ópticos, de radiación, de resistencia y termoeléctricos. Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan - Boltzman y se destinan a medir elevadas temperaturas, por encima de 1600 °C mientras que los pirómetros ópticos se fundan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien y con ellos se han definido puntos por encima de 1063 °C en la Escala Internacional de Temperaturas. Las medidas pirométricas, exactas y cómodas, se amplían cada vez más, incluso para temperaturas relativamente bajas (del orden de 800 °C). Desde el punto de vista de la medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde las 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta las 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda de 0.45 micras para el valor violeta, hasta las 0.70 micras para el rojo.
ESTRUCTURA DE LOS PIRÓMETROS DE RADIACIÓN
Los pirómetros de radiación para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas. El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo; el instrumento suele ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple par termoeléctrico en aire o en bulbo de vacío o una pila termoeléctrica de unión múltiple en aire. La fuerza electromotriz se mide con un mili voltímetro o con un potenciómetro, con carácter indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador. El espejo cóncavo es a veces preferido como medio para enfocar por dos razones: • La imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas
las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberración cromática, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda. • as lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una parte
considerable de la radiación de largas longitudes de onda. La radiación reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en él incide.
El coeficiente de emisión o emisividad de un cuerpo es la relación entre la energía radiante emitida por un cuerpo y la de un cuerpo negro que se encuentra a la misma temperatura y las mismas condiciones de servicio. Un cuerpo negro es aquel que absorbe totalmente las radiaciones que recibe y es también un perfecto emisor. Su emisividad es la unidad. Los cuerpos cuto coeficiente de emisión es menos que la unidad se conocen como cuerpos opacos.
La energía que radia el cuerpo negro es función de su temperatura absoluta. Por ejemplo, la energía radiante que emerge de una pequeña abertura en la parte de un recinto calentado uniformemente y con paredes opacas (que tenga o no objetos en su interior a la misma temperatura) tiende a ser radiación de cuerpo negro, ya que la energía que entra o sale de la abertura no se refleja sino que es absorbida a través de las innumerables reflexiones internas. Este es el caso de muchas instalaciones industriales en las que el pirómetro enfoca directamente a una abertura del horno o al extremo de un tubo de mira cerrado. Un pirómetro de radiación calibrado para condiciones de cuerpo negro indicara una baja temperatura del cuerpo que enfoca si este se encuentra en el exterior. La emisividad depende mucho del estado de la superficie del cuerpo emisor; para un metal como el cobre pasa de 0,10 a 0,85 si el metal, perfectamente pulido, se recubre bruscamente con una capa de oxido. Igual sucede con un baño metálico liquido. El pirómetro dirigido sobre una superficie incandescente no nos dará su verdadera temperatura si la superficie no es perfectamente negra, es decir, que absorba absolutamente todas las radiaciones y no refleje ninguna. En los casos generales, es preciso hacer una corrección de la temperatura leída ( temperatura de brillo S) para tener en cuenta el valor de absorción o emisión de la superficie. Señalemos ahora algunos aspectos de la aplicación de los pirómetros de radiación en la medición de temperaturas de cuerpos negros, opacos y transparentes. Un cuerpo opaco emite, a una temperatura dada, una cantidad de energía de radiación que depende del material y de la forma de la superficie. El cuerpo puede reflejar energía radiante adicional, procedente de cuerpos próximos, llamas, etc. , de este modo que si tiene un bajo coeficiente de emisión la energía reflejada será baja. Si la emisividad del cuerpo es conocida, el instrumento receptor lleva acoplado un dispositivo que permite ajustar directamente la lectura a la temperatura exacta del cuerpo caliente. En la siguiente tabla se puede verse el coeficiente de emisión de varias sustancias situadas en estas condiciones. Hay que señalar que los coeficientes de emisión de materiales tales como el oxido de cobre, oxido de hierro y oxido de níquel son lo suficientemente elevados para medir, de forma muy exacta, la temperatura sin demasiados errores procedentes de radiaciones parasitas.
En la siguiente imagen puede verse la variación de la emisividad de varias sustancias según el estado de la superficie de las muestras y la temperatura.
Tipo espejo
En la figura siguiente se presenta esquemáticamente los rangos ópticos de un pirómetro de radiación moderno del tipo de espejo. La radiación entra, desde una fuente, a través de una ventana A de sílice vítrea, es reflejada por el espejo esférico B y llevada a un foco sobre el diafragma J, en el centro del cual hay una abertura C. La radiación que pasa a través de C es reflejada por el espejo esférico D hacia el receptor E, donde se forma una imagen de C. La superficie de J se blanquea ligeramente con óxido de magnesio para que refleje difusamente suficiente luz que haga visible la imagen de la fuente cuando se mira a través de una lente H colocada detrás de B. El instrumento es orientado por el observador de manera que la imagen de la porción de la fuente que ha de ser mirada, cubra la abertura C. Dado que B no produce ninguna aberración cromática y muy poca aberración esférica, la imagen de la fuente, colocada a la distancia para la cual está enfocado el espejo, es muy neta y puede hacerse que una porción muy definida de la imagen cubra C. La relación de la distancia de la fuente al diámetro requerido por la fuente (factor distancia) es aproximadamente de 24 a 1 para distancias mayores de 24 pulgadas. En 24 pulgadas, el diámetro de la fuente debe ser por lo menos de 1 pulgada; en 48 pulgadas, de 2 pulgadas, etc. Para distancias más cortas de la fuente, el factor distancia es más largo. Para distancias mayores de 20 pulgadas, el instrumento puede emplearse como de "foco universal" si está debidamente enfocado y graduado para una distancia de 24 pulgadas. Un obturador F ajustable delante de la ventana A sirve para regular el tamaño de la abertura que deja osar la radiación de manera que la fuerza electromotriz utilizada de la pila termoeléctrica se ajuste estrechamente a una temperatura de la tabla de temperaturas y f.e.m. Diafragmas de entrada fijos proporcionan el ajuste del intervalo del pirómetro en anchos límites. El extremo superior del intervalo puede ser de 1000 a 1800
C, e incluso superior a 1800 C, si se necesita, para un máximo de f.e.m. de 20 mili voltios. La escala no es lineal y sigue aproximadamente la ley de la cuarta potencia en la relación entre la temperatura y la f.e.m. Dado que el extremo inferior de la escala está comprimido, una f.e.m. menor de 1 milivoltio en una amplitud de 20 milivoltios no es útil en la medida de temperaturas. La escala que termina en 1000 C comienza en 450 C y la que termina en 1800 C comienza en 825 C. En la mitad superior de la amplitud se descubren fácilmente cambios de temperatura de la fuente del orden de 0.1 % del valor medido. El tiempo requerido para conseguir el equilibrio después de un cambio grande y rápido de temperatura de la fuente depende de la capacidad calorífica del receptor y de la rapidez con la que disipa el calor. Este tiempo de respuesta en el instrumento que hemos descrito es de 1 a 10 segundos, según el tamaño del receptor. 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 pares termoeléctricos formados por metales comunes. • onde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choques acorten la vida de un par termoeléctrico caliente. • Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura. 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 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. 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. 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 solo puede trabajar, eficazmente, a temperaturas superiores a 700ºC, donde la radiación visible emitida es significativa. Las temperaturas medidas abarcan desde valores inferiores a 0 ªC hasta 4000 ºC. En la siguiente figura puede verse un esquema del pirómetro de infrarrojos. La lente filtra la radiación infrarroja emitida por el área del objeto examinado y la concentra en un sensor de temperatura foto resistivo que la convierte en una señal de corriente y, a través de un algoritmo interno del instrumento y de la emisividad del cuerpo enfocado, la pasa a un valor de temperatura. La señal de salida puede ser analógica (4-20 mA c.c.) o digital. La relación de la distancia del objeto al sensor, y del tamaño de la imagen sobre la lente, varia entre 2:1 hasta 300:1.
Pirómetro fotoeléctrico Consiste en materiales semiconductores cristalinos, tales como el indio antimonio, el silicio, el sulfuro de plomo y el sulfuro de cadmio, que responden a los fotones de radiación del cuerpo que se enfoca liberando cargas eléctricas a través de mecanismos de fotoelectricidad, foto conducción o fotovoltaico. Responden a diferentes partes del espectro, de modo que muestran una gran selectividad en las ondas en que operan y su detectividad espectral es 1 millón de veces mayor que la de los detectores térmicos. Estos semiconductores tienen una excelente relación señal ruido, de modo que operando en longitudes de onda corta, y bandas estrechas, permiten medida precisas de bajas temperaturas.
Pirómetro de dos colores En el que se utilizan dos longitudes de onda próximas entre sí para la determinación de la temperatura. Al contrario de los pirómetros de un solo color, esta técnica ofrece las siguientes ventajas: En un amplio rango la medida de temperatura es independiente del grado de emisividad e insensible al polvo existente en el área de visión. El objeto a medir puede ser menor que el área de medida del pirómetro. Es conmutable a un solo canal, para funcionar como un pirómetro tradicional de 0,9 micras. Al estar equipado con fibra óptica y óptica separada, es insensible a perturbaciones electromagnéticas(p.e. Inducción).
Pirometro de radiacion total
Este pirómetro está formado por una lente (2) de pírex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una pila termoeléctrica
(3) formada por varios termopares de Pt - Pt Rd de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones caliente de los termopares. La f.e.m. que proporciona la pila termoeléctrica depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión frío. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de este se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel (1) conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro.
La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientales máximas de 120°C. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua que disminuyen la temperatura de la caja en unos 10 a 40 °C por debajo de la temperatura ambiente. En la medida de bajas temperaturas la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50 °C, valor que es un poco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo suficientemente bajo como para reducir apreciablemente la diferencia de temperatura útil. El pirómetro puede apuntar al objeto bien directamente, bien a través de un tubo de mira abierto (se impide la llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura en baños de sales para tratamientos térmicos, hornos) Los tubos pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son de acero inoxidable o aleaciones metálicas resistentes al calor y a la corrosión y se emplean temperaturas que no superan generalmente los 1100 °C.
Permiten una respuesta más rápida a los cambios de temperatura que los tubos cerámicos. Los tubos cerámicos se utilizan hasta 1650 °C.
Un problema de gran importancia es la selección del material de la lente que debe transmitir la máxima energía compatible con la gama de radiaciones emitida. ▪ Las lentes de Pyrex se utilizan en el campo de temperaturas de 850º C a
1750º C. ▪ La lente de sílice fundida en el intervalo de 450º C a 1250º C. ▪ La lente de fluoruro de calcio para temperaturas inferiores. En la figura de distribución de energía radiante (vista anteriormente) puede verse que la radiación visible presenta el área entre 0.4 y 0.75 micras, que las lentes de pyrex permiten el paso de ondas de 0.3 a 2.7 micras, que las de sílice fundida dejan pasar ondas de 0.3 a 3.5 micras; las llamas no luminosas irradian y absorben energía en una banda ancha de 2.4 a 3.2 micras debido a la presencia de CO 2 y vapor de agua. De este modo, el empleo de la lente de pyrex elimina prácticamente todas las longitudes de onda corre spondientes a la energía irradiada por el CO 2 y vapor de agua y por consiguiente la medida de la temperatura no viene influida por la presencia de llamas no luminosas. Sin embargo, un pirómetro con lente de sílice que deja pasar ondas entre 0.3 y 3.8 micras es sensible a la radiación de la llama no luminosa si ésta interfiere en la línea de mira del instrumento. Asimismo, un pirómetro especial constituido por una lente de fluoruro de calcio y con un ángulo de enfoque ancho para captar la mayor cantidad posible de energía (que a bajas temperaturas es muy débil) permite medir temperaturas muy bajas de 50 C a 200 °C.
Usos 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 pares termoeléctricos formados por metales comunes ▪ Donde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choques acorten la vida de un par termoeléctrico caliente ▪ Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura. Este pirómetro reemplaza al pirómetro óptico cuando se desea registrar y vigilar las temperaturas superiores a 1600º C. Esta sustitución requiere que la fuente sea lo suficientemente grande para llenar el campo del pirómetro de radiación. ▪ ▪ ▪ ▪
Un ejemplo interesante de la termometría basada en la radiación del cuerpo negro fue descubierto por A. Penzias y R.W. Winson en 1965. Utilizando un radiotelescopio y operando en el intervalo de longitudes de ondas centimétricas detectaron una radiación de fondo que parece inundar uniformemente el universo y cuyas características espectrales coinciden con las correspondientes a un cuerpo negro a la temperatura de unos 3 K (radiación 3 K del universo).
Otros fenómenos Otros métodos de medida de temperatura utilizan instrumentos y diversas técnicas. Los lápices, bolas de productos, lacas y cintas se usan como un aforma aproximada de conocer la temperatura de la superficie de los cuerpos. Típicamente, los lápices dejan una marca, las bolas funden y las lacas licuan bruscamente al alcanzar la temperatura marcada. Las cintas contienen un indicador sensible al calor que se vuelve de color negro al llegar a la temperatura con una exactitud del +- 1%. Un sensor de temperatura utilizado para medir temperaturas en maquinas rotativas está basado en la tecnología radar. El sensor, en contacto con el proceso, esta separado ntre 1 a 50 mm de la antena de radar que esta contenida en la unidad de señal de proceso. Esta emite un pulso de radar de baja energía y alta frecuencia que impacta al sensor, quien refleja el pulso. La forma y características de este impulso dependen, únicamente, del volumen del sensor es decir, de su temperatura. La amplitud de la medida es del orden de 0 ºC a 200 ºC y la presión de + - 2 ºC. El sensor de temperatura de fibra óptica consiste en una fibra óptica que conduce la radiación captada del objeto mediante un cristal de oxido de
aluminio que actúa como un cuerpo negro. La fibra óptica tiene una lente en su extremo que enfoca la radiación sobre un detector ( diodo fotoeléctrico de silicio ) que, mediante un amplificador, genera una corriente proporcional a la intensidad de la radiación. Tiene una gran variedad de aplicaciones: calentamiento por inducción, fundición, forjado y estampación de metales, paletas de turbinas de gas y en transformadores de potencia. La precisión es del orden de 5 K dentro del intervalo de 1000 K a 1600 K. El termómetro ultrasónico se basa en que la velocidad del sonido es proporcional a la temperatura del aire y experimenta un cambio drástico en las proximidades de un cuerpo caliente. De este modo, el tiempo empleado por un impulso ultrasónico disminuye cuando el impulso llega al objeto y regresa a la fuente de ultrasonidos. El sistema puede medir temperaturas del aire dentro del intervalo de 0ºC a 80ºC con una exactitud de + - 0,075 ºC. El termómetro de cirstal de cuerzo mide la frecuencia de un oscilador de cuarzo, contacto con el cuerpo cuya temperatura desea medirse, mediante un contador que utiliza como reloj de referencia la señal de un oscilador a temperatura controlada. Su margen de trabajo es de -80 ºC a +250ºC y su exactitud es muy elevada, de + - 0,075 ºC . Algunas sales paramagnéticas, tales como el sulfato amónico férrico, tienen la propiedad de cambiar de estado de energía bajo la acción de un fuerte campo magnético. Manteniendo como única variable la susceptibilidad magnética de la sal es posible medir temperaturas muy bajas, inferiores a 1 K (procesos criogénicos). Otros métodos de medición de temperaturas muy bajas incluyen la resonancia cuadripolar nuclear del 35CI (hasta 11 K), las uniones de efecto túnel (entre 0,3 K y 3 K ), etc. Velocidad de respuesta de los instrumentos de temperatura La constante de tiempo de un instrumento es el tiempo necesario para que alcance el 63,2% de la variación total de temperatura que experimenta. Es decir, si un instrumento cuya sonda o elemento primario pasa de un reciento de 70ºC a otro de 270ºC puede alcanzar el 63,2% de la diferencia, 270-70=200ºC, en 0,1 segundos; este tiempo será la constante de tiempo de la medida con el instrumento.
los elementos primarios eléctricos, sondas de resistencia, termistores, termopares y pirómetros de radiación se caracterizan porque el tiempo de respuesta depende, únicamente, del intercambio térmico entre el fluido y el elemento, ya que la corriente eléctrica circula por los cables de conexión a la velocidad de la luz, directamente al receptor. En la sonda de resistencia, la masa a calentar está formada por una bobina de hilo arrollada en un nucleo y embebida en una capsula rigida. Curva de la respuesta.
Tipos de instalaciones de vainas en tuberías
TABLA COMPARATIVA DE CARACTERÍSTICAS
BIBLIOGRAFIA:
IPEM 56, TERMOMETRO,
Consultado: 14, marzo,
2014. Disponible en;
