Índice
- Introducción
- Termometría
- Tipos
de Termómetros
- Pirómetros
- Detectores
de temperatura resistivos (RTD)
- Termistores
NTC PTC .Termómetros de resistencia de silicio
- Pares
termoeléctricos
- Bibliografía
INTRODUCCIÓN
La sensación fisiológica de calor y frío es el origen del
concepto primario de temperatura.
Podemos apreciar variaciones de temperatura de acuerdo con
las variaciones de intensidad de estas sensaciones, pero el sentido del tacto
carece de la sensibilidad y alcance necesarios para dar una forma cuantitativa a
esta magnitud. Además, los efectos producidos por la conductividad de los
cuerpos dan lugar a confusión en la apreciación de temperaturas al tacto.
Así, por ejemplo, debido a la mejor conductividad de los
metales, una pieza de hierro o aluminio parece más fría que un trozo de madera
situado en el mismo recinto y, por tanto, a igual temperatura.
De igual modo, el cuerpo humano experimenta un daño muy
semejante al contacto con el agua en ebullición o con aceite hirviendo y, en
cambio, es muy sensible a ligeros cambios de temperatura en las proximidades de
los 36,5 °C.
Además, los términos que se utilizan corrientemente para
describir la temperatura son términos subjetivos. Un «día caluroso»
para un esquimal puede ser algo muy distinto de un «día caluroso» para un árabe
del desierto.
La experiencia sensorial de un objeto frío o caliente tiene
además otro aspecto. Si sobre la mano se derrama un cazo de agua hirviendo, el
daño recibido es grande, con una temperatura de 100 °C. En cambio, una chispa
de un castillo de fuegos artificiales cae sobre nuestra piel sin producir daño
alguno a pesar de que su temperatura puede ser muy superior. Como veremos es un
problema de capacidad calorífica. Para expresar la temperatura de modo que
condiciones idénticas pueden describirse de un modo absoluto necesitamos una
definición exacta de esta magnitud y una escala numérica de valores.
Para un gas ideal la temperatura se mide por la expresión T
= p V / n R, pero el verdadero concepto
de la temperatura se alcanza con la teoría molecular, según la cual esta
magnitud mide la energía cinética media de las moléculas de una sustancia o
mediante la mecánica estadística que la define como la sensibilidad de la
energía a los cambios de entropía a volumen constante, T = dU / dS. No
obstante, el principio cero de la termodinámica permite definir de un modo
operacional la temperatura de un sistema sin hacer hipótesis sobre la
estructura de la materia.
De todas las magnitudes físicas, sin duda la temperatura es
la de medida más frecuente. Posiblemente sea la variable que determine de forma
más decisiva las propiedades de la materia, bien dependiendo de ella como función
continua (tal es el caso de la resistividad eléctrica, presión, etc.) o bien
presentando características muy diferentes según que su temperatura sea
superior o inferior a una bien definida (caso de los cambios de fase, punto de
Curie, etc.). Por ello es por lo que la medida de la temperatura es vital tanto
en la industria como en la investigación.
No obstante, asignar un valor numérico a una temperatura
plantea un problema importante. En efecto, la mayoría de las magnitudes físicas
suelen estar definidas por un valor numérico obtenido por comparación con otra
tomada como referencia. A éstas se las conoce con el nombre de magnitudes
extensivas, pues a partir del patrón de la unidad se pueden definir de forma
sencilla, al menos conceptualmente, múltiples y submúltiplos de ella. Este no
es, evidentemente, el caso de la temperatura, que pertenece al grupo de las
llamadas variables intensivas.
Multiplicar o dividir por un número el valor de una temperatura no tiene
significado físico alguno. Esto nos lleva a plantearnos el estudio de las bases
físicas en las que se funda el establecimiento de una escala de temperaturas.
TERMOMETRÍA
La termometría
es una rama de la física que se ocupa de los métodos y medios para medir la
temperatura.
La
temperatura no puede medirse directamente. La variación de la temperatura puede
ser determinada por la variación de otras propiedades físicas de los cuerpos
volumen, presión, resistencia eléctrica, fuerza electromotriz, intensidad de
radiación...
Tipos de Termómetros (según
el margen de temperaturas a estudiar o la precisión exigida)
Termómetros
de líquido:
·
de mercurio:
§
de -39 °C (punto
de congelación del mercurio) a 357 °C (su punto de ebullición),
§
portátiles y
permiten una lectura directa. No son muy precisos para fines científicos.
·
de alcohol
coloreado
§
desde - 112 °C
(punto de congelación del etanol, el alcohol empleado en él) hasta 78 °C (su
punto de ebullición), cubriendo por lo tanto toda la gama de temperaturas que
hallamos normalmente en nuestro entorno.
§
es también portátil,
pero todavía menos preciso; sin embargo, presta servicios cuando más que nada
importa su cómodo empleo.
Termómetros
de gas:
·
desde - 27 °C
hasta 1477 °C
·
muy exacto,
margen de aplicación extraordinario. Más complicado y se utiliza como un
instrumento normativo para la graduación de otros termómetros.
Termómetros
de resistencia de platino:
·
es el más
preciso en la gama de -259 °C a 631 °C, y se puede emplear para medir
temperaturas hasta de 1127 °C
·
depende de la
variación de la resistencia a la temperatura de una espiral de alambre de
platino
·
reacciona
despacio a los cambios de temperatura, debido a su gran capacidad térmica y
baja conductividad, por lo que se emplea sobre todo para medir temperaturas
fijas.
Par térmico
(o pila termoeléctrica)
·
consta de dos
cables de metales diferentes unidos, que producen un voltaje que varía con la
temperatura de la conexión.
·
Se emplean
diferentes pares de metales para las distintas gamas de temperatura, siendo muy
amplio el margen de conjunto: desde -248 °C hasta 1477 °C.
·
es el más
preciso en la gama de -631 °C a 1064 °C y, como es muy pequeño, puede
responder rápidamente a los cambios de temperatura.
Pirómetros
·
El pirómetro de
radiación se emplea para medir temperaturas muy elevadas.
·
Se basa en el
calor o la radiación visible emitida por objetos calientes
·
Es el único termómetro
que puede medir temperaturas superiores a 1477 °C.
Escalas
de Temperatura
·
Kelvin
·
Celsius
·
Fahrenheit
·
Rankine
·
Reaumur
|
Termómetro
|
Propiedad termométrica
|
|
Columna
de mercurio, alcohol, etc., en un capilar de vidrio
|
Longitud
|
|
Gas
a volumen constante
|
Presión
|
|
Gas
a presión constante
|
Volumen
|
|
Termómetro
de resistencia
|
Resistencia
eléctrica de un metal
|
|
Termistor
|
Resistencia
eléctrica de un semiconductor
|
|
Par
termoeléctrico
|
F.e.m.
termoeléctrica
|
|
Pirómetro
de radiación total
|
Ley
de Stefan – Boltzmann
|
|
Pirómetro
de radiación visible
|
Ley
de Wien
|
|
Espectrógrafo
térmico
|
Efecto
Doppler
|
|
Termómetro
magnético
|
Susceptibilidad
magnética
|
|
Cristal
de cuarzo
|
Frecuencia
de vibración
|
1. Por la dilatación térmica
de (termómetro de gas). A volumen constante, la presión de un gas (ideal o
perfecto) es directamente proporcional a la temperatura absoluta, así P=
(Po/To)T, en el que Po es la presión a cierta temperatura conocida To.
2. Por la dilatación térmica de
un fluido o un sólido ( termómetro de mercurio, elemento bimetálico). Las
sustancias tienden a dilatarse con la temperatura. Así una variación en la
temperatura, T2 -T1, produce un cambio de longitud, L2 -L1, o un cambio de
volumen V2 -V1, acuerdo con las
siguientes expresiones :
L2
-L1 = a´ (T2 -T1)
V2 -V1 = a´´´(T2 -T1)
En
las que a´ y a´´´ son los coeficientes lineal y volumétrico de la dilatación
térmica.
3. Por la presión o tensión de vapor de in
liquido (termómetro de ampolla, de vapor). La tensión de vapor de todos los líquidos
aumenta con la temperatura. En un intervalo limitado, se verifica la siguiente
relación :
Log(P2/P1)=2.3(L/R)
4.
Por el potencial termoeléctrico (termopar). Cuando se ponen en contacto
intimo dos metales distintos se desarrolla un voltaje que depende de la
temperatura en la junta y de los materiales particulares empleados. Si se
conectan en serie dos juntas como la indicada con un instrumento medidor de
voltaje, el voltaje medido será muy aproximadamente proporcional a la
diferencia de las temperaturas de dos juntas.
5. Por la variación de la resistencia
eléctrica ( Termómetros de resistencia, termistor). Los conductores eléctricos
experimentan una variación de su resistencia con la temperatura que puede
medirse con un puente de Wheatstone. La formula para el platino es muy exacta y
sirve por tanto, como norma primaria sobre un amplio intervalo de temperaturas.
En trabajos de precisión se usa la ecuación de Gellendar.
T
=100*(((Rt - R0)/(R100 - R0))+C(t - 100)t
6.
Por la variación de la radiación (Pirómetros de radiación y ópticos).
Un cuerpo radia energía en proporción a la cuarta potencia de su temperatura
absoluta. El principio se adapta particularmente a la medida de temperaturas muy
altas en las que bien se puede medir la cantidad de radiación o su intensidad
dentro de una estrecha banda de longitudes de onda. En el primer tipo (pirómetro
de radiación), se enfoca la radiación sobre un elemento sensible al calor
(como un termopar) y se mide su elevación de temperatura. En el segundo tipo
(pirómetro óptico), se compara ópticamente la intensidad de la radiación con
la intensidad fija de un filamento calentado, las fórmulas que se utilizan para
el diseño de estos aparatos son la leyes de Stefan Boltzman y wien.
Tipos de Termómetros
En física se utilizan varios tipos de termómetros, según
el margen de temperaturas a estudiar o la precisión exigida. Como ya hemos señalado,
todos se basan en una propiedad termométrica de alguna sustancia: que cambie
continuamente con la temperatura (como la longitud de una columna de líquido o
la presión de un volumen constante de gas).
Los termómetros de líquido encerrado en vidrio son,
ciertamente, los más familiares: el de mercurio se emplea mucho para tomar la
temperatura de las personas, y, para medir la de interiores, suelen emplearse
los de alcohol coloreado en tubo de vidrio.
Los de mercurio pueden funcionar en la gama que va de -39 °C
(punto de congelación del mercurio) a 357 °C (su punto de ebullición), con la
ventaja de ser portátiles y permitir una lectura directa. No son, desde luego,
muy precisos para fines científicos.
El termómetro de alcohol coloreado es también portátil,
pero todavía menos preciso; sin embargo, presta servicios cuando más que nada
importa su cómodo empleo. Tiene la ventaja de registrar temperaturas desde -112
°C (punto de congelación del etanol, el alcohol empleado en él) hasta 78 °C
(su punto de ebullición), cubriendo por lo tanto toda la gama de temperaturas
que hallamos normalmente en nuestro entorno.
El termómetro de gas de volumen constante es muy exacto, y
tiene un margen de aplicación extraordinario: desde -27 °C hasta 1477 °C.
Pero es más complicado, por lo que se utiliza más bien como un instrumento
normativo para la graduación de otros termómetros.
El termómetro de gas a volumen constante se compone de una
ampolla con gas -helio, hidrógeno o nitrógeno, según la gama de temperaturas
deseada- y un manómetro medidor de la presión. Se pone la ampolla del gas en
el ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta entonces la columna de
mercurio (manómetro) que está en conexión con la ampolla, para darle un
volumen fijo al gas de la ampolla. La altura de la columna de mercurio indica la
presión del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.
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En
un termómetro de gas de volumen constante el volumen del hidrógeno que
hay en una ampolla metálica se mantiene constante levantando o bajando
un depósito. La altura del mercurio del barómetro se ajusta entonces
hasta que toca justo el indicador superior: la diferencia de los niveles
(h) indica entonces la presión del gas y, a su través, su temperatura.
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El termómetro de resistencia de platino depende de la
variación de la resistencia a la temperatura de una espiral de alambre de
platino. Es el termómetro más preciso dentro de la gama de -259 °C a 631 °C,
y se puede emplear para medir temperaturas hasta de 1127 °C. Pero reacciona
despacio a los cambios de temperatura, debido a su gran capacidad térmica y
baja conductividad, por lo que se emplea sobre todo para medir temperaturas
fijas.
Un par térmico (o pila termoeléctrica) consta de dos cables
de metales diferentes unidos, que producen un voltaje que varía con la
temperatura de la conexión. Se emplean diferentes pares de metales para las
distintas gamas de temperatura, siendo muy amplio el margen de conjunto: desde
-248 °C hasta 1477 °C. El par térmico es el termómetro más preciso en la
gama de -631 °C a 1064 °C y, como es muy pequeño, puede responder rápidamente
a los cambios de temperatura.
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Varias
sondas termométricas para ser utilizadas con un termómetro digital de
termopares de laboratorio
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1.- INTRODUCCIÓN
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.
Nos vamos a centrar en los pirómetros de radiación y en los
pirómetros ópticos.
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)
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La
temperatura del acero al rojo se puede medir mediante un pirómetro de
radiación (el instrumento cilíndrico con cables, que vemos a la
derecha. Se enfoca la radiación térmica en un par térmico, donde se
genera una corriente eléctrica que se registra en un amperímetro
graduado para medir en él directamente las temperaturas.
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2.- PIRÓMETROS DE
RADIACIÓN
Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de
Stefan - Boltzman que dice que la energía radiante emitida por la superficie de
un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la
cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir
W
= s T4
donde
W (potencia emitida) es el flujo radiante por unidad de área,
s es la constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8
W / m2 K4) y
T es la temperatura en Kelvin
Si el cuerpo radiante de área A está dentro de un recinto
cerrado que está a la temperatura To, su pérdida neta de energía por segundo,
por radiación está dada por:
U
= s A (T4 - To4)
La ley de Stefan fue establecida primeramente en forma
experimental por Stefan en 1879; Boltzman proporcionó su demostración termodinámica
en 1884.
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.
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 milivoltímetro 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:
1) 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.
2) las 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.
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.
|
|
|
Pirómetro
de radiación
|
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 milivoltios.
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.
Este pirómetro está formado por una lente de pyrex, sílice
o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una pila
termoeléctrica 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 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.
En las siguientes tablas se pueden ver las características
de estos tubos:
|
Aleación
|
Composición
química (%)
|
Aplicaciones
|
|
Ni
|
Cr
|
Fe
|
Ti
|
Si
|
Al+Ni
|
|
Inconel
600
|
76
|
17
|
7
|
|
|
|
para
atmósferas carburantes, gases de combustión, nitruración,
carbo-nitruración, amoníaco disociado, baños de sales de temple y
cementación
|
|
Nimonic
75
|
76
|
20
|
4
|
0.1
|
|
|
igual
al anterior, no fragilizándose por el hidrógeno a alta temperatura
|
|
Incoloy
800
|
32
|
20
|
resto
|
|
|
0.6
|
parecidas
al Inconel, pero menos eficaz
|
|
Incoloy
D.S.
|
38
|
20
|
resto
|
|
2.5
|
|
igual
que el anterior
|
|
Aleaciones
resistentes a la corrosión a alta temperatura y a sales fundidas
|
|
Material
|
Composición
|
Temperatura máxima (°C)
|
Observaciones
|
|
Cuarzo
|
sílice
fundida
|
1260
|
resistencia
excelente al choque térmico
|
|
Firebick
|
|
1450
|
protección
secundaria para tubos Sillramic
|
|
Sílice
|
sílice
|
1600
|
en
crisoles para vidrio
|
|
Sillramic
|
sílice-aluminio
|
1650
|
resistencia
al choque térmico
resistencia mecánica débil
|
|
Mullite
|
sílice-aluminio
|
1650
|
protección
secundaria de choque mecánico y térmico. De mayor diámetro que el
anterior
|
|
aluminio
de alta pureza
|
99 %
aluminio puro
|
1870
|
resistencia
al choque mecánico y térmico
|
|
óxido
de berilio
|
óxido
de berilio
|
2200
|
resistencia
excelente al choque térmico
resistencia débil al choque mecánico
|
|
Tubos
metálicos cerámicos
|
cromo-aluminio
|
1425
|
resistencia
excelente a los sulfuros
buena resistencia al choque térmico y mecánico
|
|
Tubos
cerámicos
|
La relación entre la f.e.m. generada y la temperatura del
cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente (excluyendo
la presencia de gases o vapores que absorban energía) siempre que la imagen
cubra totalmente la unión caliente de la pila termoeléctrica.
El fabricante normaliza la relación entre las dimensiones
del objeto y su distancia a la lente, para garantizar unas buenas condiciones de
lectura. De este modo existen pirómetros de radiación de ángulo estrecho
(factor de distancia 20:1) y de ángulo ancho (factor de distancia 7:1)
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 850 C a 1750 C,
la lente de sílice fundida en el intervalo de 450 C a 1250 C
y 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 CO2 y vapor de agua. De este modo, el
empleo de la lente de pyrex elimina prácticamente todas las longitudes de onda
correspondientes a la energía irradiada por el CO2 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.
El pirómetro de radiación se puede recomendar en lugar del
termoeléctrico en los casos siguientes:
1.
donde un par termoeléctrico sería envenenado por la atmósfera de horno
2.
para la medida de temperaturas de superficies
3.
para medir temperaturas de objetos que se muevan
4.
para medir temperaturas superiores a la amplitud de los pares termoeléctricos formados por metales comunes
5.
donde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choques acorten la
vida de un par termoeléctrico caliente
6.
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 1600 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. Wilson 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). Por este motivo Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física
de 1978.
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Diagrama
de un pirómetro de radiación visible
|
3.-
PIRÓMETROS ÓPTICOS
Se basan en la ley de distribución de la radiación térmica
de Wien. lm = A / T, donde A = 0.2897 si lm viene en cm.
La longitud de onda correspondiente al máximo de potencia
irradiada en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo infinitamente
pequeño de longitudes de onda es inversamente proporcional a la temperatura del
cuerpo negro.
En la medición de temperaturas con estos pirómetros hacemos
uso de una característica de la radiación térmica: el brillo. El brillo de la
radiación en una banda muy estrecha de longitudes de onda emitidas por una
fuente, cuya temperatura ha de medirse, es confrontado visualmente con el
brillo, en la misma banda, de una fuente calibrada.
Si la fuente es un radiador perfecto, un llamado cuerpo
negro, existe una relación entre el brillo JlT de la fuente en esta
banda estrecha, la longitud landa de la onda efectiva media de esta banda y la
temperatura absoluta T de la fuente, la cual se expresa muy aproximadamente por
la ley de distribución de la radiación térmica de Wien:
JlT
= C1l-5 exp [C2/ l T]
La modificación de Planck de esta ley
JlT
= C1 l-5 exp [(C2/ l T) - 1]
es exacta. En estas expresiones C1 y C2
son constantes físicas que pueden ser determinadas experimentalmente por varios
métodos.
La ley de Wien es suficientemente exacta para las longitudes
de onda visibles hasta por lo menos 1800 °C y es matemáticamente de manejo más
cómodo que la ley de Planck.
El pirómetro óptico empleado en la determinación de altas
temperaturas tales como las temperaturas de fusión del platino, del molibdeno o
del tungsteno, es del tipo de filamento cuya imagen desaparece.
Un telescopio es enfocado sobre el objeto incandescente cuya
temperatura se va a medir. El filamento de tungsteno de una lámpara de alto vacío
está situado en el plano focal del objetivo del telescopio. El ocular es
enfocado sobre este plano, e incluye un filtro de vidrio rojo que sólo
transmite una estrecha banda de longitudes de onda visible centrada en O.65
micras. El filamento de tungsteno es calentado por la corriente de una batería,
corriente regulada por un reóstato y medida, preferiblemente, por un método
potenciométrico. Para hacer una medición, las imágenes superpuestas de la
fuente y del filamento son confrontadas en brillo ajustando la corriente del
filamento. Cuando el brillo es igual, el filamento desaparece contra el fondo de
la imagen de la fuente. El filamento aparece como linea oscura o brillante, según
que sea menos brillante o más brillante que la imagen de la fuente. El ojo es
muy sensible a la diferencia en brillo, y dado que la brillantez de un objeto
aumenta proporcionalmente al múltiplo 10-20 de su temperatura absoluta, un
error de 1% en la confrontación del brillo supone solamente un error de 0.05 a
O.1% en la temperatura.
Cuando se ha conseguido la desaparición del filamento, se
lee la corriente, o bien, si la escala de corrientes está graduada en
temperaturas, se lee esta directamente.
La figura siguiente representa un pirómetro óptico moderno
muy usado en el laboratorio y en trabajo industrial. Este instrumento está
graduado por la observación de la corriente requerida para conseguir la
desaparición cuando la fuente es un cuerpo negro mantenido en varias
temperaturas conocidas.
Una de esta puede ser la temperatura de fusión del
oro, 1063 °C, y otra la de la plata, 960.8 °C. Otras temperaturas del horno de
cuerpo negro pueden determinarse por medio de un par termoeléctrico patrón de
platino con platino - 1% de rodio. La escala de la corriente frente a la de
temperaturas se obtiene por interpolación entre esas temperaturas medidas. El
extremo inferior práctico de la escala de temperaturas del pirómetro óptico
es aproximadamente 750 °C; a temperaturas inferiores el brillo de la imagen es
excesivamente débil para hacer posible la confrontación exacta. El extremo
superior de la escala del instrumento ta como se ha descrito es aproximadamente
1250 °C. A temperaturas más elevadas, el ojo es deslumbrado por el brillo.
En la medición de altas temperaturas es necesario cubrir con
una pantalla la radiación de la fuente de modo que se reduzca el brillo lo
bastante para que pueda ser confrontado en la amplitud de escala del filamento.
Una pantalla que transmite una fracción conocida de la radiación es un disco
giratorio con sectores colocado entre la lente del objetivo y el filamento. Con
la ley de distribución de la radiación térmica de Wien puede demostrarse la
siguiente relación
l
ln t / C2 = 1 / T2 - 1 / T1 = A
donde l es la longitud de onda efectiva media transmitida por
el filtro rojo, t es la fracción de la luz transmitida por la pantalla, c2
es una constante conocida (14380 micro grados), T1 es la temperatura
absoluta observada a través de la pantalla tal como se mide en la escala del
pirómetro y T2 es la temperatura real de la fuente. Para una
pantalla dada y un filtro de vidrio rojo, A es una constante, la cual se expresa
ordinariamente en "mireds" (microgrados recíprocos negativos) y es
computable mediante los valores conocidos de l, t y c2. En la
determinación de una temperatura T2 superior a 1063 °C, se emplea
una pantalla que reduce el brillo suficientemente para hacer que T1
caiga en la escala por debajo de 1063 °C. Después, midiendo T1, se
puede calcular T2. Por este método se han determinado temperaturas
en la Escala Internacional de Temperaturas (escala termodinámica) para
temperatura de solidificación hasta la del tungsteno, 3380 °C. Para las
temperaturas superiores a unos
1800 °C la discrepancia entre las leyes de Wien y de Planck se hace
significante, y la última se emplea en la computación de temperaturas de
solidificación.
Fuera del laboratorio de patrones, el disco con sectores no
es práctico y se le reemplaza con una pantalla absorbente de vidrio. El valor A
de la pantalla es determinado midiendo a través de ella la temperatura aparente
T1 de una fuente de cuerpo negro a la temperatura conocida T1,
tal como, por ejemplo, la temperatura de solidificación del platino.
Supongamos que la lectura en la escala de temperaturas del
pirómetro, cuando la fuente es la solidificación del platino es un horno de
cuerpo negro, se encuentra que es 1000 °C o 1273 K. Se sabe que la temperatura
de solidificación del platino es 1760 °C o 2033 K. Entonces
A = 1/2033 - 1/ 1273 = 0.000294 o 294 mireds (microgrados recíprocos
negativos)
Si el vidrio de la pantalla tiene las debidas características
de transmisión, A es constante para todos los valores de T2, y para
cada temperatura en la escala menor puede calcularse la temperatura
correspondiente de una fuente, observada a través de la pantalla. De esta forma
puede ponerse una escala mayor paralela a la escala menor para emplearla cuando
se miden temperaturas superiores a las comprendidas en la escala anterior. Los límites
de error son tales, que pueden hacerse fácilmente medidas válidas dentro de
una tolerancia de mas menos 4 °C hasta 1225 °C y de mas menos 8 °C hasta 1750
°C con un pirómetro óptico industrial propiamente mantenido y usado
inteligentemente. Incluso los observadores inexperimentados hacen lecturas
aceptables dentro del margen de 5 °C. a temperaturas hasta 1750 °C, y los
observadores experimentados, en una habitación oscura aciertan con menor error
de un grado centígrado.
Otros pirómetros ópticos de corriente variable usan la caída
de voltaje en el filamento, o la resistencia de este filamento, como medida de
la temperatura de desaparición.
Un cuerpo negro es aquel que absorbe toda la radiación que
incide en él y no refleja ninguna. Un cuerpo negro a temperaturas inferiores a
la incandescencia es, por consiguiente, perfectamente negro. A temperaturas
superiores es luminoso, y en cualquier temperatura dada emite radiación en
mayor grado que cualquier cuerpo no negro conforme a la ley de radiación de
Kirchhoff, la cual afirma que todo cuerpo que es buen "absorbedor" de
radiación, es asimismo buen radiador y justamente en la misma proporción.
La emisividad (o coeficiente de emisión) de un cuerpo no
negro es la relación de la intensidad radiante del cuerpo a la intensidad
radiante de una fuente de cuerpo negro a la misma temperatura. La reflectividad
de un cuerpo no negro es la relación de las intensidades radiantes incidente y
reflejada. La suma de la emisividad y la reflectividad es igual a la unidad. La
radiación de un cuerpo negro se puede observar a través de una pequeña
abertura en un recinto opaco que está todo él a temperatura uniforme. Tiene un
valor aproximado a la radiación de un cuerpo negro la radiación de las
cavidades profundas en un cuerpo uniformemente calentado y en hornos que están
cerca del equilibrio térmico. Las superficies expuestas nunca son negras, y
cuando sus temperaturas se miden con un pirómetro óptico, el resultado difiere
de la verdadera temperatura, puesto que es demasiado baja si la superficie está
en espacio abierto y demasiado alta si está en un horno, cuyas paredes están más
calientes que la superficie.
Las emisividades espectrales de muchas sustancias son
conocidas para l = 0.65 micras (longitud de onda a la que es sensible el pirómetro
óptico), y es posiblemente mediante el empleo de tablas preparadas aplicar las
correcciones a los valores medidos para determinar la verdadera temperatura. Los
valores de emisividad varían desde aproximadamente 0.1 para el cobre o el oro
pulimentado, o 0.3 para el platino pulimentado, hasta 0.8 para el acero al
carbono oxidado y 0.96 para el carburo de titanio. En una temperatura medida de
1000 °C si la emisividad es 0.1 la verdadera temperatura es 1196 °C en tanto
que para una emisividad de 0.9 la temperatura verdadera es 1008 °C si la
superficie medida está en espacio abierto.
Las tablas de correcciones están basadas en la hipótesis de
que la emisividad de la superficie es la misma para todas las longitudes de
onda, y en este caso, el cuerpo no negro se llama no gris y la medida de la
radiación en la longitud de onda l es una verdadera medida de la temperatura
del cuerpo. Algunos cuerpos son radiadores selectivos, esto es, emiten radiación
que no está en concordancia con la curva de distribución del cuerpo negro.
Esto ocurre en la luz de las lámparas fluorescentes, de lámparas de vapor de
mercurio y de la mayor parte de las llamas. Un pirómetro óptico no mide la
temperatura de estas fuentes.
Con correcciones de emisividad adecuadas, el pirómetro óptico
es muy útil para comprobar los pirómetros de radiación.
Los cuerpos no negros son reflectores de radiación. La
medida con el pirómetro óptico está basada sólo en la radiación emitida.
Por lo tanto, cualquier luz de una lámpara, ventana u otra fuente de luz que
sea reflejada por la superficie que se está midiendo en el telescopio pirométrico
introduce un error en la lectura y esto debe evitarse.
Las superficies limpias de metales fundidos son buenas
reflectoras y por consecuencia tienen baja emisividad. La emisividad del acero
fundido para l = 0.65 micras tiene un valor generalmente aceptado de 0.4. Las
partículas de óxido de hierro flotantes sobre el metal tienen valores más
altos de emisividad, y por consiguiente aparecen como manchas brillantes sobre
la superficie; son estas mas negras que el acero. La corrección para una
emisividad de 0.4 es aplicable al acero y es la superficie limpia más oscura
con la cual debe ser comparado un filamento.
Los pirómetros ópticos de laboratorio de fábrica son
graduados por un método de sustitución. Un pirómetros óptico patrón que ha
sido graduado a temperaturas fijas de solidificación se emplea para medir la
temperatura aparente de un filamento aplastado de tungsteno, luego se sustituye
el patrón por el pirómetro que va a ser graduado y se observa la corriente en
que se consigue la desaparición. El filamento de tungsteno no es
"negro"; pero si los filtros de vidrio rojo de los dos instrumentos
son semejantes, las correcciones de emisividad son las mismas para ambos y se
obtendrá una graduación del cuerpo negro del instrumento que se ensaya.
Además de la luz extraña, hay que evitar otras fuentes de
error: los humos o vapores entre el pirómetro y la fuente; el polvo u otros depósitos
en las lentes, pantallas o lámparas, y la pérdida de voltaje de las baterías
del filamento.
El pirómetro debe probarse de tiempo en tiempo frente a un
pirómetro patrón.
Los detectores de temperatura basados en la variación de una
resistencia eléctrica se suelen designar con sus siglas inglesas RTD
(Resistance Temperature Detector). Dado que el material empleado con mayor
frecuencia para esta finalidad es el platino, se habla a veces de PRT
(Platinum Resistance Thermometer).
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El símbolo general para estos
dispositivos es el de la figura; la línea recta en diagonal sobre el
resistor indica que varía de forma intrínseca lineal, y la anotación
junto a dicha línea denota que la variación es debida a la temperatura
y tiene coeficiente positivo.
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Un termómetro de resistencia es un instrumento utilizado
para medir las temperaturas aprovechando la dependencia de la resistencia eléctrica
de metales, aleaciones y semiconductores (termistores) con la temperatura; tal
es así que se puede utilizar esta propiedad para establecer el carácter del
material como conductor, aislante o semiconductor.
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 cerámica. 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 específica. 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 útil.
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Curvas
usuales de termómetros de resistencia para alambre de platino, cobre y
níquel, en donde R1 = resistencia a la temperatura t y Ro
= resistencia a 0 °C
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La relación entre estos factores, se puede ver en la expresión
lineal siguiente
Rt
= Ro (1 + a t)
donde
Rt es la resistencia en ohmios
a t °C
Roes la resistencia en ohmios a 0 °C
a es el coeficiente de temperatura de la
resistencia
En el caso de una resistencia fabricada con material
semiconductor (termistores) la variación con la temperatura es muchísimo más
grande, pero tiene el gran inconveniente de ser de tipo exponencial
Rt
= Ro (1 - a t - b t2 - d t3 ... )
De las expresiones anteriores se deduce claramente que una
resistencia metálica aumenta su valor con la temperatura, mientras que en los
semiconductores, aumenta su valor al disminuir la temperatura. Las resistencias
de tipo metálico son de uso frecuente debido a que suelen ser casi
lineales durante un intervalo de temperaturas bastante elevado.
El empleo de un conductor para la medida de temperaturas, basándose
en el comportamiento descrito anteriormente está sometido a varias
limitaciones. En primer lugar, es obvio que no se podrán medir temperaturas próximas
ni superiores a la de fusión del conductor. En segundo lugar, para poder medir
una temperatura determinada con este método es necesario que el sensor esté
precisamente a dicha temperatura. Habrá que evitar, pues, auto calentamientos
provocados por el circuito de medida. La capacidad de disipación de calor, para
un determinado sensor en un ambiente concreto, viene dada por el coeficiente de
disipación, y depende del tipo de fluido y su velocidad, en el caso en que sea
posible la evacuación de calor por convección.
Otra limitación a considerar es la posible presencia de
deformaciones mecánicas, provocan también un cambio en el valor de la
resistencia eléctrica de un conductor. Esta situación puede darse,
inadvertidamente, al medir, por ejemplo temperaturas superficiales mediante un
elemento adherido a la superficie.
