Sensores de temperaturaSergio Alvarado, Gonzalo Barros, Francisco Alvarado, Felipe Fernández, Darío Fuentes,

Labán Fuentes, Nicolás González, Juan Hormazábal, Javier RomeroAutomatización de procesos industriales

Universidad de Talca

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Definición de temperatura

La temperatura de un cuerpo es una medida de la concentración relativa 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. [1]

Dentro de los termómetros encontramos variados tipos de acuerdo a la evolución tecnológica y diferentes aplicaciones que se les han asignado, a continuación se presentan en orden cronológicos los diferentes tipos de termómetros existentes.

I. TERMÓMETROS DE VIDRIO [2]

A. HISTORIA Y FUNCIONAMIENTO

El primer alcance de un termómetro de alcohol lo hizo Galileo Galilei con un instrumento llamado termoscopio. Este aparato consiste en una bola hueca con un tubo soldado a ella.

Su funcionamiento consistía en calentar la bola hueca con las manos y sumergir el otro extremo en agua, al soltar la bola, el agua subiría. El principio utilizado es la contracción y dilatación del aire.

Después vino el termómetro que hoy conocemos y fue inventado por Fahrenheit en el año 1714.

Su funcionamiento consiste en un tubo de vidrio que contiene principalmente mercurio o alcohol coloreado. Estos líquidos presentan la misma propiedad: tiene un coeficiente de dilatación muy grande, por eso se utilizan ya que son sensibles a los cambios de temperatura.

Este tubo se divide en tantas partes, dependiendo de los límites de temperaturas que pueda medir.

Estos márgenes bordean los siguientes valores:

-Mercurio: (-32 a +280) ºC-Alcohol: (-70 a +100) ºC

El mercurio es un metal que, a temperatura ambiente, esta en estado líquido y breves cambios de temperatura hace que este se expanda o se contraiga inmediatamente.

La otra sustancia que se utiliza es el alcohol coloreado. Estos termómetros consisten en un tubo capilar de vidrio, que posee un diámetro interno casi tan delgado como un cabello; en uno de sus extremos se encuentra un bulbo lleno de alcohol.

Este aparato tiene un extremo abierto y otro cerrado.En la ilustración 1 se muestra un termómetro de

mercurio y otro de un termómetro de alcohol:

Ilustración 1 : Termómetro de mercurio y de alcohol

B. APLICACIONES

Estos termómetros son los más utilizados por el común de las personas, debido principalmente a que su lectura de temperatura es simple de entender y no es necesario tener un conocimiento muy amplio para saber utilizarlo.

Dentro de las aplicaciones más conocidas, está:

- Medir la temperatura corporal de las personas.- Medir la temperatura de un ambiente.

Esta son las aplicaciones más utilizadas dado que para otros fines, como científicos o industriales estos termómetros son poco precisos, en cambio para fines domésticos son bastante buenos y con una lectura muy simple para las personas. Además son portátiles, dado su pequeño tamaño y no necesitan estar conectado a una fuente de corriente, ni tampoco utilizar pilas o baterías, porque solo utiliza la propiedad de dilatación del líquido que está en su interior, el cual se expande o contrae directamente con la temperatura a la cual esta expuesto el termómetro.

C. Últimos desarrollos

Hoy en día estos instrumentos están siendo reemplazados por los termómetros digitales, los cuales cumplen la misma función de los anteriores pero con mayor precisión.

C. Costos

El precio de estos termómetros está al alcance de todas las personas. Los termómetros de mercurio se encuentran en el mercado con un precio que esta entre $2.000 a $3.000, en cambio los termómetros de alcohol se encuentran entre los $3.000 a $5.000. Esta es una de las principales razones de por qué son tan populares, en comparación a otros termómetros.

II. TERMÓMETROS BIMETÁLICOS

A. Funcionamiento

El termómetro bimetálico se define como un material que se encuentra constituido por dos metales o más –cambiando de nombre “bimetálico”- fuertemente unidos entre sí.

Estos dos metales tienen distintos índices de expansión térmica, por lo que a determinada temperatura el nivel de dilatación es distinto entre ambos, lo que genera una variación en la curvatura inicial del material compuesto.

En definitiva lo que se busca es convertir temperatura en dislocación mecánica, generalmente acero y cobre.

Frecuentemente se utiliza una cinta bimetálica enrollada de forma helicoidal o en espiral, luego se fija uno de los metales del compuesto, cuando se le aplica calor el metal no fijado comenzará a girar producto de las propiedades anteriormente mencionadas.

Cuando se busca un termómetro de escala uniforme es necesario diseñar el material compuesto de tal forma que tenga una deflexión lineal en la escala de temperaturas en las que será utilizado.

B. Tipos

Los principales tipos de termómetro bimetálico son: Espiral plana, hélice simple y la hélice múltiple y por lo general se encuentran construidos en cobre y acero.

C. Historia

La tira bimetálica se presume fue inventada por Juan Harrison en el siglo XVIII, sus ejemplos iníciales tenían dos tiras de metal remachadas entre sí, pero también se inventó otra técnica consistente en la fundición de latón sobre un sustrato de acero.

Otras fuentes remontan la invención de la tira bimetálica a los años cuarenta cuando el ingeniero británico Eric Taylor creó un mecanismo de control de vuelo para la RAF (Real fuerza aérea).

D. Desarrollo en el tiempo

Inicialmente los termómetros de tira bimetálica entregaban información superficial de la temperatura y la interpretación de la misma quedaba a criterio del observador.

Con el avance de la mecánica y las ciencias asociadas, además de las mejoras en el establecimiento de escalas, se logró la construcción de termómetros más exactos y que marcan temperatura sin un grado tan alto de error.

E. UsosRelojes : Los relojes mecánicos son sumamente

sensibles a los cambios de temperatura, lo que genera errores en las mediciones de tiempo, para compensar ese error se utiliza una cinta bimetálica, con esto se evita la influencia del debilitamiento del resorte de control de equilibrio que marca el período de oscilación constante y se mantiene como si se tratara de una temperatura de operación moderada.

Termostatos : Se utiliza para termostatos que funcionan en una amplia gama de temperaturas, la tira bimetálica se encuentra fijada y unida a una fuente de corriente eléctrica mientras que el otro extremo lleva un contacto eléctrico.

Dependiendo del uso, una temperatura más alta puede abrir un contacto o puede cerrar un contacto (como en los refrigeradores).

Termómetros : Se utiliza en termómetros al fijar uno de los extremos de la tira bimetálica, mientras que el otro

extremo se encuentra fijado a una aguja, la cual indica la temperatura sobre una escala graduada.

Motores de calor : Se utiliza en juguetes simples, como motores de balancín o motores bimetálicos de vela.

F. Costos

Los termómetros bimetálicos tienen costos que van desde los US$ 250 en el caso de los utilizados en aplicaciones de bajo nivel de exactitud, como jardines y cultivos hidropónicos y para aplicaciones de alto nivel industrial sobrepasan los US$ 550.3

III. TERMÓMETROS DE BULBO Y CAPILAR

A. Historia

En torno al 1714 fue Daniel Gabriel Fahrenheit quien creó el termómetro de mercurio con bulbo, el cual está formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura se puede leer en una escala situada junto al capilar.

B. Tipos y su funcionamiento

Se diferencian en general tres tipos de termómetros de sistemas llenos, en función al componente que llena el sistema y por ende al principio físico que se aplica:

Clase I y IV: Termómetros actuados por líquidos, diferenciándose la clase IV a través del uso de mercurio y cuyo uso va en franca disminución por los riesgos inherentes al uso del mercurio.

Clase II: Termómetros actuados por vapor Clase III: Termómetros actuados por gas

El acondicionamiento de la señal de presión generada a través de la dilatación del líquido o el aumento de presión del gas o vapor, se realiza a través de espirales denominados espirales de Bourdon. Estas se desenrollan y mueven la aguja indicadora sobre el dial.

A continuación se explican los tipos de termómetros de bulbo y capilar existentes:

a) Termómetro de bulbo y capilar del tipo LÍQUIDO.

Ilustración 2

Tienen el sistema de medición lleno de líquido y como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. Con capilares de longitudes menores a 5 metros se compensa sólo el elemento de medición, es decir, por medio de un bimetal se compensa la variación de temperatura del líquido por efecto del medio ambiente.

Cuando el tubo capilar es largo, se usa uno de estos dos métodos para la corrección:

Ilustración 3

• 1) Un hilo metálico central se coloca en el tubo capilar en toda su longitud; este hilo tiene un coeficiente de dilatación que corrige el cambio de volumen del líquido. Normalmente se emplea esto únicamente en los sistemas llenos con mercurio.

• 2) Un segundo tubo capilar sin bulbo, cerrado en el extremo correspondiente al bulbo, va paralelo al tubo capilar desde el bulbo y acciona un Bourdon helicoidal idéntico en la caja del instrumento, de tal modo enlazado con el elemento original, que cualquier dilatación en este capilar corrector se resta del otro sistema y corrige toda dilatación, excepto la del bulbo medidor.

La presión de llenado elegida debe ser tal, que la temperatura de ebullición del líquido sea apreciablemente más alta que la mayor temperatura que el sistema haya de medir. Pueden medirse temperaturas desde -1 75 °C. Hasta + 300 °C (hasta 500ºC en caso de usar mercurio).

El origen mayor de error en este tipo de medida es la dilatación térmica del líquido que no está en el bulbo.

Clase: 1% entre 10 y 90% de la escala, resto 1,6%

b) Termómetro de bulbo y capilar del tipo VAPOR.

Los termómetros de vapor a presión utilizan el hecho de que en una vasija cerrada que no contiene más que un líquido y su vapor, llenando el líquido sólo parcialmente el recinto, la presión es dependiente solamente de la especie del líquido y de su temperatura.

El termómetro de presión de vapor se parece al termómetro de gas a presión en que consta de un bulbo, un tubo de conexión de longitud fija, de 1,5 a 7,5 m de largo, y un elemento sensible a la presión. El bulbo está parcialmente ocupado por un líquido con una temperatura de ebullición bastante baja para producir una presión de trabajo de 5 a 35 (Kg/cm²) en el intervalo de temperaturas a cubrir.

El extremo superior de ese intervalo de presión debe ser más bajo que el punto crítico del líquido. Se emplean el cloruro de metilo, el anhídrido sulfuroso, el éter, el alcohol etílico y el tolueno, elegidos para la presión de vapor apropiada según las relaciones de temperatura, la inercia de los metales empleados o el sistema y la disponibilidad del líquido en forma pura. Los citados líquidos cubren una gama de -180 hasta 300 °C. La presión de vapor aumenta con la temperatura más rápidamente a medida que la temperatura se eleva, de suerte que la curva temperatura presión de vapor no es lineal, y las gráficas de temperatura tienen sus marcas de grados mucho más separadas en el extremo superior de la escala que en el inferior. Un aparato registrador de 10 a 100 °C. puede tener divisiones de 2 grados C. entre 10 y 40 °C. y solamente de medio grado desde 40 hasta 100 °C. La exactitud de la lectura es escasa en el extremo inferior de la escala.

El nivel del bulbo con respecto al aparato de medición de la presión es importante, pues si la temperatura del tubo de conexión es inferior a la temperatura del bulbo, el vapor se condensará en el tubo de conexión. El aparato de medición de la presión está sometido a la presión del vapor en el bulbo más la carga hidrostática de esta columna de líquido si el bulbo está sobre el aparato de medición, o a la presión del vapor en el bulbo menos la carga hidrostática si el bulbo está bajo el aparato de medida.

Si la temperatura de operación del bulbo ha de ser más alta que la temperatura del aparato de medida de la presión, el instrumento se gradúa para una diferencia de nivel definida, deben hacerse correcciones si se cambia la elevación del bulbo. Un gran defecto en este sistema de medida es el trastorno debido al paso del líquido desde el bulbo al elemento de presión, o inversarnente, cuando la temperatura medida cruza la temperatura del instrumento.

c) Termómetro de bulbo y capilar del tipo GAS.-

Para usos industriales, un termómetro por presión de gas consta de un elemento que mide la presión, como el tubo Bourdon, conectado por un tubo capilar a una ampolla que se expone a la temperatura que se ha de medir. El sistema se llena, a presión, con un gas inerte, ordinariamente el nitrógeno.

Puesto que la presión del gas en un recipiente cerrado es proporcional a su temperatura absoluta, el elemento medidor puede ser calibrado en grados de temperatura con una escala dividida uniformemente. Como el gas del elemento medidor y del tubo de conexión no está a la temperatura del bulbo, el volumen de éste tiene que ser grande para que los errores introducidos por la diferencia de temperatura del elemento medidor de la presión y del tubo capilar resulten insignificantes.

El bulbo debe tener por lo menos cuarenta veces el volumen del resto del sistema. Por ello, y a causa del retardo en la transmisión de los cambios de presión por el tubo capilar, la longitud de éste se limita a un máximo de 60 m, y es preferible mucho menos. La presión inicial en el termómetro de gas es ordinariamente de 10 a 35 Kg/cm².

El par de torsión producido es entonces amplio para operar una pluma registradora cuando la dimensión de la escala es 200 grados centesimales, o más. No se recomiendan escalas menores de 50 grados. Con una dimensión de escala de 200 grados, o más, la reproducibilidad de las lecturas es del orden de +- 1/4 % de aquella dimensión.

El tiempo de respuesta tiende a ser largo, en parte a causa de la necesidad de transmitir los cambios de presión por medio de un tubo de calibre fino y en parte a causa del gran volumen y escasa conductividad térmica del nitrógeno. Para el volumen suficiente, el bulbo tiene ordinariamente 22 mm de diámetro, lo que da una respuesta lenta. El tiempo de respuesta puede ser disminuido consiguiendo el volumen deseado mediante el empleo de un tubo largo de 6.5 mm, ordinariamente en forma de hélice de 5 cm.

Las variaciones en la presión barométrica no suelen ser tan grandes que afecten apreciablemente las indicaciones pero los grandes cambios en altitud deben ser corregidos en la graduación.

Los termómetros de gas a presión se emplean en temperaturas entre -270°C y + 500 °C, lo cual queda parcial o enteramente fuera de los límites de los sistemas de vapor a presión y en aplicaciones en que la menor exactitud y el mayor tamaño del bulbo no exigen la elección de un termómetro de alto costo del tipo de expansión de líquido.

COSTOS

Termómetro Capilar 72*72mm Con Bulbo 100 Mm 9-200 Cº, precio: $ 50.000.

Ilustración 4

IV. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA

A. Funcionamiento

Su funcionamiento se basa principalmente en el uso de transductores (dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada en otra clase distinta de energía de salida) de temperatura, los cuales se basan en la dependencia de la resistencia eléctrica de un material con la temperatura, es decir, son capaces de transformar una variación de temperatura en una variación de resistencia eléctrica.

Los termómetros de resistencia basan la toma de temperatura en un alambre de platino integrado dentro del termómetro. Este alambre va ligado a una resistencia eléctrica que cambia en función de la temperatura. Es un termómetro que es muy lento en la toma de temperatura, pero preciso. [4]

Ilustración 5

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.

El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado (Ilustración 1), bobinado entre las capas de material aislante y protegido con revestimiento de vidrio o cerámica. Las bobinas que llevan arrollado el hilo de resistencia, están encapsuladas y situadas dentro de una vaina.

El principio de funcionamiento se basa en e flujo de electrones a través de la resistencias. Al variar la temperatura en el material resistivo, el flujo de electrones varía. Es decir la resistencia presenta una variación con la temperatura. [2]

Este instrumento sigue la siguiente ley de funcionamiento:

válida para temperaturas entre 0 y 850°C

Pudiéndose aproximar bajo ciertas circunstancias (región lineal) a:

Donde: R0: Resistencia a T0°C (Ω)R: Resistencia a T°C (Ω)α: Coeficiente de temperatura de la resistencia. Entre

0°C y 100°C. α=0,0038 1/°C

Ilustración 6 El platino es el mejor material desde el punto de vista de la estabilidad y de la precisión, aunque su

costo es bastante alto.

Figura 2:

Nota: A nivel de industria, la sonda más utilizada es Pt100 (R0=100Ω, T0=0°C). Otras son el Pt500 y el Pt1000

B. Tipos

En realidad lo que cambia no es el tipo de instrumento, sino que es el tipo de material conductor (metálico) que sillevan en su interior, entre los cuales se encuentra principalmente:

- Platino- Cobre- Tungsteno

El platino tiene la particularidad de tener una relación resistencia-temperatura sumamente lineal, por lo cual se utiliza como el principal material para construirlas y por lo general se llaman a estas IPRT (Industrial Platinum Resistance Thermometer) o RTD (Resistance Temperature Detector). Las ventajas del platino son:

Ser químicamente inerte Tiene un elevado punto de fusión (2041,4 K) Puede ser obtenido con un alto grado de pureza

Generalmente este tipo de sensor de temperatura se construye en configuraciones de:

- 2 hilos: Es el montaje más barato pero puede producir medicines distorsionadas.

- 3 hilos: Entrega una medición más confiable que la anterior.

- 4 hilos: Se obtiene mediciones más precisas que las dos anteriores, generalmente se usa en laboratorios

C. Historia y desarrollo en el tiempo

1821: Sir Humphry Davy observa que la resistencia eléctrica de los materiales varía al variar su temperatura.

1871: William Siemens propuso la utilización del platino como termómetro basándose en este efecto.

1855-1900: Se establecen los métodos de construcción para este tipo de termómetros.

D. Usos

- Se puede aplicar en el campo de la química como sensor y controlador de una reacción exotérmica

- Se utilizan también en estufas modernas- En una incubadora- En los actuales calefón con control de temperatura

(calefón inteligente)- En refrigeradores inteligentes- Para climatización de ambientes

- Para control de temperatura de cocción en las cocinas modernas

- Para electrodomésticos de limpieza- En general se pueden utilizar en muchas

aplicaciones en que se quiera controlar la temperatura

E. Costos

Dependiendo del tipo en el mercado se pueden encontrar los siguientes: 5

- pt100 (100 ohm) cuesta $60.000 chilenos- pt1000 (1000 ohm) cuesta $150.000 chilenos

V. Termistores

A. Funcionamiento

Un termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como un resistor térmico con un coeficiente térmico de temperatura negativo de valor muy elevado. Estos se fabrican a partir de óxidos metálicos comprimidos y sintetizados. Los metales utilizados son níquel, cobalto, manganeso, hierro, cobre, magnesio, y titanio. Como aleaciones típicas se pueden considerar las preparaciones de oxido de manganeso con cobre y oxido de níquel con cobre. Modificando las proporciones básicas de oxido presente en el termistor se puede variar la resistencia térmica de este; existen termistores con resistencias básicas a 25°C desde unos pocos hasta varios millones de Ohm. La resistencia térmica de un termistor a la temperatura ambiente puede disminuir en 6% por cada 1°C de aumento en la temperatura. El funcionamiento básico del termistor se justifica en el hecho de que la relación entre la resistencia de este último y la temperatura están relacionados exponencialmente bajo la siguiente relación:

Donde A y B son constantes que dependen del

termistor. [2]

B. Tipos

Existen dos tipos de termistores, los cuales son:

NTC (coeficiente de temperatura negativo): Es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura, es decir se calienta extremadamente. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativa, constituidas por un cuerpo semiconductor.

PTC (coeficiente de temperatura positivo): Es una resistencia variable cuyo valor va aumentando a medida

que se incrementa la temperatura. Este tipo pierde sus propiedades y puede comportarse como un NTC si las temperaturas son demasiado elevadas.

C. Historia y desarrollo en el tiempo

El físico y químico británico Michael Faraday (1791 – 1867), conocido sobre todo por su trabajo sobre inducción electromagnética y electroquímica, realizó el que se considera el primer estudio sobre termistores como consecuencia de sus investigaciones con el sulfuro de plata (Ag2S) en 1833. Debido a las limitaciones tecnológicas de fabricación el uso comercial del termistor no comenzó sino hasta alrededor de 100 años después del primer estudio.

Durante los primeros años de la década de los 40, los laboratorios Bell desarrollaron métodos para conseguir consistencia y repetitividad en el proceso de fabricación. Los primeros termistores comerciales tenían forma de disco y sus tolerancias eran bastante amplias. Estos dispositivos fueron empleados principalmente en la regulación, protección y compensación de temperatura en circuitos electrónicos.

En las décadas de los años 50 y 60 el desarrollo de la industria espacial requirió de sensores más estables y precisos, realizándose importantes avances en los materiales de fabricación de termistores de tipo cristal, disco y perla. En los 60 y 70, la demanda de dispositivos con tolerancias ajustadas en grandes cantidades a un precio económico llevó al desarrollo del termistor tipo chip.

Como consecuencia del avance en la exactitud de estos dispositivos dada en los 80, se incrementó el uso de termómetros electrónicos en medicina. Durante los 80 y los 90 el uso de los termistores ha continuado creciendo, ampliándose a campos como el automóvil, el procesamiento de comida, medicina, HVAC o el campo de las comunicaciones. 6

D. Usos generales

Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura en gases, líquidos o sólidos. Dependiendo de su utilización pueden encontrarse en el mercado termistores con valores entre 100 (Ω) y 30 (kΩ), los de utilización más frecuente se encuentran en el rango de 1 (kΩ) y 5 (kΩ). El rango de temperatura de mayor utilización es de 50°C a 200°C, sin embargo se pueden encontrar termistores con rangos que alcanzan los 450°C. Su aplicación más frecuente es como sensor de temperatura, a causa principalmente de su pequeño tamaño, para mediciones rápidas en sondas manuales que acompañan a los termómetros portátiles electrónicos.

Su desventaja es su falta de estabilidad de medición de temperatura en el tiempo y su gran dispersión en comparación con las termoresistencias.

Su ventaja es su pequeña masa lo cual permite mediciones de temperatura con velocidades de respuesta muy elevadas. [7]

E. Costos

Los costos de los termistores son variados dependiendo de su utilización. Se pueden encontrar termistores que se utilizan en sondas de termómetros electrónicos cuyos precios se encuentran alrededor de $30000. Al mismo tiempo se pueden encontrar termistores utilizados en rele de protección de circuitos eléctricos con precios de alrededor de $120000.

VI. TERMOPARES

A. Funcionamiento

Es un dispositivo que es capaz de generar un pequeño voltaje en función de la temperatura. El termopar está formado por la unión de dos metales, de ahí que su nombre contenga la palabra “par”. El pequeño voltaje, es producto de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado punto caliente y el otro denominado punto frío.[8] Su funcionamiento se puede apreciar mejor en la Figura 1:

Ilustración 7 : Diagrama de Funcionamiento de Termopar [9]

Ilustración 8 : Diagrama eléctrico de un termopar 10

B. Historia

De la mano del científico Thomas Johann Seebeck, se descubre el primer efecto termoeléctrico de la historia en 1821, inventando para la investigación de este efecto el primer termopar.[11]

Más tarde Oersted, Pouillet, W. Thomson, Becquerel, Poggendorff, entre otros, utilizaron estos resultados para tomar parte en la elaboración de los termómetros termoeléctricos, en su estudio teórico y en la extensión de sus aplicaciones. [9]

C. Tipos

Existen varios tipos de termopares que pueden ser agrupados por el rango de temperaturas que miden y su sensibilidad. Los siguientes termopares se muestran con el electrodo positivo primero, seguido por el electrodo negativo. Los primero

Tipo K : hechos de Níquel-Cromo y Níquel-Aluminio. Son de bajo costo y usado en una amplia gama de aplicaciones. El rango de temperaturas que miden es de -200ºC a 1372ºC y con una sensibilidad de 41µV/°C. Son resistentes a la oxidación.

Tipo E : hechos de Cromo y de Cobre-Níquel. Son ideales para el uso a bajas temperaturas. Su sensibilidad es de 68 µV/°C. No son magnéticos.

Tipo J : hechos de Hierro y Cobre-Níquel. Se usan en equipamientos viejos que no aceptan a los termopares más modernos. Su rango es de -40ºC a 750ºC y tiene sensibilidad de 52 µV/°C. Es corroíble por su componente de Hierro.

Tipo N : hechos de Níquel-Cromo-Silicio y Níquel-

Silicio. Son adecuados para mediciones en altas

temperaturas por su estabilidad térmica y resistencia a la oxidación.

Tipo B, R y S : hechos de Platino y Rodio. Son muy estables. Se utilizan hasta los 850ºC (tipo B) y hasta los 1600ºC (tipos R y S)Su sensibilidad es baja, 52 µV/°C. Por el uso de platino, no son adecuados para el uso general por su alto costo. [8]

D. Usos

Los termopares son muy convenientes cuando de medir en un intervalo grande de temperaturas (~1800ºC) se refiera. De ahí que no se recomiende su uso en aplicaciones donde existan diferencias péquelas de temperatura. En ese caso se recomiendan termistores.

Ahora, en la industria del acero, dadas las altas temperaturas de trabajo se utiliza para supervisar la temperatura en hornos eléctricos de fundición, para estimar que las temperaturas de templado sean adecuadas.

Por otro lado, se utilizan también en la seguridad de instalaciones que utilizan la llama de un piloto para funcionar; calefones. De apagarse la llama de un piloto, habría un flujo de gas no consumido. De ahí que a través de circuitos lógicos se asegure que el piloto está encendido para continuar con el flujo de gas.[12]

E. Costos

Los costos varían dependiendo de los materiales y el tipo de arquitectura del termopar. En el mercado se encuentran desde € 28,90 hasta los € 44,90 los termopares tipo J o K con lector y sonda. Los termopares tipo R, B y S son bastante más caros por el platino en como material de contacto térmico.

VII. PIRÓMETROS

A. Funcionamiento

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. [13]

Ilustración 9 : Espectro de radiación electromagnética

B. Tipos 14

Existen tres tipos de pirómetros: de radiación, ópticos e infrarrojos (aunque también se ha hecho mención a un tipo pirómetro de radiación que funciona en base a lefecto fotoeléctrico). El funcionamiento de los infrarrojos se describirá aparte.

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.

Ilustración 10 : Diagrama de un pirómetro óptico

En uso, el pirómetro es puesto en dirección de la fuente u objeto a analizar a una distancia adecuada para que la lente del pirómetro enfoque la fuente en el plano del filamento. La ventanilla de enfoque es ajustada de tal forma que el filamento y la fuente aparezcan uno puesto sobre otro. En general, el filamento aparecerá más caliente que la fuente o más frío que ella como se muestra en la ilustración 5. Ajustando la corriente en la batería, el filamento debe de hacerse desparecer como se ejemplifica en la figura 4c. La corriente medida en el indicador conectado a la lámpara y a la batería es usado para asignar la temperatura de la fuente.

Un filtro rojo es generalmente usado para obtener aproximadamente condiciones monocromáticas, y el filtro de absorción es utilizado para que el filamento opere a una intensidad reducida y así prolongar su vida.

Ilustración 11 : Apariencia del filamento

Los pirómetros de radiación se emplean para medir temperaturas mayores de 550°C hasta un poco más de 1600°C captando toda o gran parte de la radiación emitida por el cuerpo a analizar. Este tipo de pirómetros se fundamenta en la ley de Stefan−Boltzmann, que dice que la intensidad de 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 = KT4, donde

W (potencia emitida)= Flujo radiante por unidad de área.

K =Constante de Stefan − Boltzman (cuyo valor es 5.67 10−8 W / m2 K4).

T =Temperatura en KelvinLa ilustración 6 muestra, de forma simplificada, la

forma de operación de un pirómetro de radiación. La parte esencial del dispositivo consiste en una especie de lente de pirex sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en un termopila formada por varios termopares de pequeñas dimensiones y montadas en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa los hace muy sensibles a pequeñas variaciones de energía radiante y además muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida para comportarse como un cuerpo negro, aumentando así sus propiedades de absorción de energía y propiciando la fuerza electromotriz máxima.

Ilustración 12 : Esquema de un pirómetro de radiación

Ilustración 13 : ubicación de termopila

C. Historia y desarrollo en el tiempo

Pouillet utilizó en 1836 un termómetro de gas con depósito de platino para determinar temperaturas elevadas. Sainte-Claire Deville y Troost (1857-1859) observaron que el platino se hace permeable a los gases a temperaturas elevadas, y añadieron al pirómetro de gas un depósito de porcelana refractaria.

Se aplicaron también otros métodos para la determinación de las temperaturas elevadas:

método calorimétrico (Pouillet), método de cambio de dimensiones (pirómetro de

Wedgwood, constituido por cilindros de arcilla seca, 1782), procedimiento basado en la fusión y la ebullición de ciertos cuerpos (Prinsep, 1828; Appold, 1855),

pirómetro de resistencia eléctrica (Siemens, Callendar, 1886-1891).

También se consiguió determinar la temperatura de los cuerpos incandescentes observando las propiedades de la luz que emiten. Así estableció Pouillet una escala de las

colocaciones sucesivas que toma el platino llevado a incandescencia. Midiendo la intensidad de la luz emitida por un cuerpo calentado y transmitida por un vidrio coloreado, E. Becquerel mostró, en 1863, que a la misma temperatura todos los cuerpos opacos emiten la misma luz. El descubrimiento de las leyes de la radiación a fines del siglo XIX permitió la construcción de pirómetros ópticos mucho más precisos. [15]

D. Aplicaciones

Los pirómetros, como ya se había mencionado, se utilizan para medir temperaturas muy elevadas sin la necesidad de contacto físico y dependiendo del rango deseado se elige uno de los tipos de pirómetros ya que los pirómetros de radiación total tienen un mayor rango que los ópticos.

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 termopares.· Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los

cambios de temperatura.Donde las condiciones mecánicas (vibraciones,

choques, etc.) acorten la vida de un par termoeléctrico caliente.

· En la industria del vidrio se necesita controlar la

temperatura en sus procesos, es por ello que se emplean pirómetros, de los cuales según la capa de vidrio que se desea medir, se elige el tipo de pirómetro, debido a que en diferentes longitudes de onda se alcanzan diferentes profundidades. Pirómetros con detectores de silicio alcanzan profundidades en vidrio para ventanas de unos 190mm aproximadamente.

E. Costos

El costo de los pirómetros es elevado, los modelos más básicos se encuentran por arriba de los 600 Euros (aproximadamente $500.000)

VIII. TERMÓMETROS INFRARROJOS

A. Historia y funcionamiento

A principios del siglo XX, los científicos Planck, Stefan, Boltz- mann, Wien y Kirchhoff definían las actividades del espectro electromagnético y establecían equiparaciones para describir la energía infrarroja. Esto hace posible definir

la energía en relación con curvas de emisión de un cuerpo negro. Los objetos con una temperatura por encima del punto cero absoluto irradian energía. La cantidad de energía crece de manera proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.

Gracias a este principio nacen los termómetros infrarrojos donde la lente capta la cantidad de energía infrarroja que emite el objeto y la pasa a un complejo sistema que traduce la energía captada en señal eléctrica, la cual se traduce numéricamente en temperatura en la pantalla del termómetro. Su mayor ventaja es la habilidad de tomar mediciones de temperatura de objetos calientes, peligrosos, o difíciles de alcanzar sin contacto. Con los termómetros infrarrojos estándar, las mediciones pueden tomarse desde unos pocos centímetros hasta 3 metros de distancia desde el objeto, además tiene un rango bastante amplio de temperaturas (-50°C a 1500°C).

B. Aplicaciones

Estos termómetros son utilizados en:

- Comprobación de los equipos mecánicos (motores, maquinaria) o eléctricos (circuitos eléctricos, placas, luces, cables, etc.)- Control de entornos climatizados (cámaras frigoríficas, hornos, etc.)- Control de alimentación (catering, cadena del frío)- Sistemas de refrigeración (aire acondicionado, calefacción).

- Comprobación para saber si hay puntos calientes en situaciones de la lucha contra el fuego.

- Medicina (Se utiliza porque tienen una mayor precisión y se ocupa para medir temperatura en los oídos y/o frente)

Sin embargo estos tienen problemas en si en la medición hay vidrio por el medio o si el objeto es una superficie pulida, brillante o transparente, esto se debe a dos factores que son el poder reflectante y la transmisibilidad. El primero es la capacidad de un objeto de reflejar la radiación infrarroja, y la segunda es su capacidad de transmitirla, una forma para corregir estos errores es ajustar la emisitividad de forma manual o automática en los equipos y para las superficies brillantes

C. Desarrollo en el tiempo

Últimamente se han desarrollado termómetros infrarrojos con USB incorporado, es decir, que mediante radiofrecuencia y mientras se realizan las mediciones, el aparato puede ir transfiriendo los datos al ordenador directamente o almacenarlos en un dispositivo USB.

D. Costos

Los precios de este dispositivo varía entre los 24.000 y 240.000 pesos o mas dependiendo del modelo.

IX. TABLA RESUMEN

BIBLIOGRAFÍA

1[?] Textos científicos – Termometría, disponible en:http://www.textoscientificos.com/fisica/termometria[Extraído el 8 de Mayo, 2010]

2[?] Enciclopedia Wikipedia, La enciclopedia libre, 2010. Termómetro, disponible en:http://es.wikipedia.org/wiki/Termometro[Extraído el 8 de Mayo, 2010]

3[?] Tienda del clima – termómetros bimetálicos, disponible en: http://www.tiendaclima.com/temperatura/termometrosbimetalicos/index.php [Extraído el 8 de Mayo, 2010]4

[? ] Tipos de termómetros, disponible en:http://www.tiposdetermometros.net/[Extraído el 8 de Mayo, 2010]5

[? ] Kobold Messring GmbH, Temperatura ,Medidores de Temperatura, disponible en :http://www.koboldmessring.com/es/cl/temperatura/prid/159/index.html[Extraído el 8 de Mayo, 2010]

6[? ] Historia y evolución de los termistores. Disponible en:http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:JOdKZdWE26gJ:www.gii.upv.es/personal/gbenet/treballs%2520cursos%2520anteriors-TIM-IIN-INYP-AYPD/TerMistores-JLloria-05/TerMistores-JLloria-05.doc+termistores+historia&cd=1&hl=es&ct=clnk&gl=cl[Extraído el 8 de Mayo, 2010]

7[? ] Termistores, consideraciones mecánicas y eléctricas, disponibles en :http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/termistores1.htm[Extraído el 8 de Mayo, 2010]

8[?] Colaboradores de Wikipedia. Termopar [online].Wikipedia, La enciclopedia libre, 2010. Disponible en <http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Termopar&oldid=35940934> [Extraído el 8 de mayo, 2010][Extraído el 8 de Mayo, 2010]

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11[? ] Colaboradores de Wikipedia, Thomas Johann Seebeck [online]. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010. Disponible en http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Thomas_Johann_Seebeck&oldid=338898008 [Extraído el 8 de Mayo, 2010]

12[? ] Miembros de Ebay. Búsqueda: Termopar [online]. Ebay, 2010. Disponible en http://shop.ebay.es/?_from=R40&fts=2&_trksid=m38&_nkw=termopar [Extraído el 9 de Mayo, 2010]

13[? ] Pirometría, disponible en:http://www.galeon.com/termometria/pirometros.htm [Extraído el 8 de Mayo, 2010]14

[? ] Pirometría de radiación y ópticos (transductores y sistemas de medición) Universidad de las Américas - Puebla15

[? ] Historia de los termómetros, disponible en:http://www.galeon.com/termometria/historia.htm[Extraído el 8 de Mayo, 2010]