MEDICIÓN DE TEMPERATURA

 La Temperatura:
"Es una manifestación del promedio de energía cinética, ondulatoria y de traslación de las moléculas que existen en una substancia".

Las mediciones de temperatura se realizan a través de los siguientes métodos;

  1. Utilizando la dilatación de sólidos, líquidos y gases.
  2. Con el método quese denomina; " tensión de vapor".
  3. Por medio de efectos termoeléctricos.
  4. A través de variaciones de resistividad eléctrica.
  5. Usando los efectos ópticos.
  6. Empleando rayos infrarrojos.


MÉTODO DE DILATACIÓN DIFERENCIAL  (TERMOSTATOS)

La construcción de un medidor automático de temperatura es se realiza con un bimetálico, el dispositivo consiste de la unión que se raliza con dos metales de diferente dilatación lineal, se unen con el fin de producir efectos diferenciales. Un bimetálico, no proporciona exactitud en sus mediciones, asin embargo los equipos que se construyen con un termostato, son robustos, económicos y tienen uso industrial. La deflexión que se produce al calentarse el sistema de dos laminas, se encuentra en función de la temperatura, la longitud y su espesor, la formula para la deflexión es la siguiente;


d = ( k D T L) / E

d << Deflexión.

dT << T2 - T1

L << Longitud de la varilla.

E << Espesor de la varilla.

K << Constante de los metales.

La fuerza del desplazamiento para el caso de usarla como comando, se determina con la siguiente ecuación:

F = ( C dT E2 Z ) / L

F << Fuerza del bimetal

C << Constante de los metales

Z << Ancho del bimetal.

Existe una gran variedad de sistemas termostaticos industriales que se fabrican con bimetales, el rango de opeacion es; desde 0 °C hasta 180 °C, tanto de respuesta rápida como de acción lenta, si se dispone de un sistema mecánico multiplicador, entonces se permite realizar un ajuste de corte con acción de control todo/nada, dentro de 0,5 ° C de presicion. 

Metal

Temperatura

Coeficiente de Dilatación

Hierro

10 ° C a 100 ° C

0.1210X10 -4

Zinc

10 ° C a 100 ° C

0.2628X10-4

Cobre

16 ° C a 180 ° C

0.1409X10-4

Níquel

40 ° C

0.0833X10-4


MEDICIÓN DE TEMPERATURAS


El Dispositivo Térmico Resistivo (RTD)

Los RTD ó dispositivos térmicos resistivos, son sensores de temperatura a los cuales también se les denomina "bulbos de resistencia", su principio de funcionamiento se basa en el hecho de que un metal al calentarse, cambia su valor de resistencia, midiendo el valor de corriente que circula a través del RTD, se mide la temperatura con presición, la construcción típica de un RTD consiste en una bobina de hilo de cobre, de niquel ó de platino, la bobina se fija a un soporte con forma de una varilla, su diametro es semejante al diametro de un lápiz, con una longitud aproximada de 40 centímetros, su diseño se debe a C. H. Meyers (1932), en presencia de variaciones de temperatura el RTD modifica su componente resistivo en forma lineal, si la temperatura varia en un rango amplio, la no-linealidad se hace presente y aparecen errores de linealidad, en términos absolutos, no se desprecian para algunas aplicaciones.

La siguiente expresión proporciona la resistencia de una PT100 en función de la temperatura, la ecuación es un polinomio con cuatro términos y tres coeficientes, la respuesta se ajusta 100% a la curva real de la PT100 en un margen de [0ºC,850ºC]

RPT100 = 100(1 + 0.003908T – 6(10-7)T2 – 2(10-13)T3)

Curva de respuesta del RTD.

Tabla numérica de la respuesta que genera del bulbo de resistencia PT100.


EFECTOS TERMOELÉCTRICOS

Para la medición de temperaturas superiores a los 400 °C se consideran las ventajas que tienen los sistemas eléctricos, en especial si la temperatura a medir rodea los 800°C.

Los métodos son;
a.     Termocuplas y milivoltimetros.
b.     Termocuplas y potenciometro con ajuste a cero.
c.     Termocuplas y potenciometro con calibracion por reflexión.

Efecto Seebeck;
El efecto Seebeck, lo descubre el físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770–1831), se refiere a la emisión de electricidad en un circuito termo eléctrico se compone de metales conductores diferentes, estresados bajo diferentes temperaturas. Los conductores metálicos se conectan en serie. La diferencial térmica produce un flujo de electrones en el sistema termo eléctrico, el flujo de energía clorífica inicia desde el área metálica de mayor temperatura dirigiéndo hacia el metal de menor temperatura. En el punto de contacto de los metales se presenta un diferencial de tensión electroéstatico. La magnitud de la energía termoelectria depende del tipo de material de los metales, y es directamente proporcional a la temperatura de contacto, no depende de la temperatura que se distribuye a todo lo largo del conductor. La termoelectricidad caracteriza a los termopares por el coeficiente de Seebeck para diferentes materiales con un rango que va desde + 43mV/grado hasta –38mV/grado.

En 1821 Seebeck señaló que si se unían dos metales distintos por sus extremos la ecuación que se cumple es;

fem = a + bt + ct2

t << Temperatura

a,b,c << Constantes

Aplicada esta ecuación a los metales de Platino - Platino/Rodio, resulta;

Fem = 0.323 + 0.008276 t + 0.00001632 t2

En 1834 el francés Jean C. A. Peltier descubrió el efecto inverso al efecto Seebeck:

Efecto Peltier; "Si una corriente circula a través del termopar, la temperatura de la unión se incrementa y la temperatura en otras secciones se decrementa, el calor se transfiere desde una unión a otra, la cantidad de calor que se transfiere es directamente proporcional a la corriente y la dirección de transferencia se invierte si la corriente cambia de dirección".

El científico escocés William Thomson y un poco más tarde Lord Kelvin, descubre en 1854 que la diferencia de temperatura que existe entre dos puntos cualquiera de un conductor que transporta corriente absorbe calor dependiendo del material y la dirección de la corriente en el conductor, éste efecto "Thomson", muestra que el efecto Seebeck es un resultado de la combinación de los efectos de Peltier y Thomson. Los campos magnéticos demuestran la influencia que generan todos estos fenómenos termoeléctricos. Los dispositivos electronicos que se basan en los efectos termoeléctricos se usan para medir temperatura, transferir calor ó generar electricidad.


EFECTOS TERMOELÉCTRICOS

 

Si se unen dos metales distintos por sus extremos y si se someten a temperaturas diferentes, entre las uniones aparecen fuerzas electromotrices generadas que están en función de la diferencia de temperaturas en la unión y del tipo de metal utilizado para fabricar la unión, si las temperaturas son iguales la f.e.m. generada es cero:

Al conjunto así descrito se le denomina; "circuito termoeléctrico" y es clásico en la medición de temperaturas. Las consideraciones siguientes traen como consecuencia el desarrollo de las leyes de la termoelectricidad y son las siguientes;

LEY UNO;
En un circuito formado por un solo metal la f.e.m. generada es cero, cualquiera que sean las temperaturas en los diferentes puntos del circuito termoeléctrico.

Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no se sostiene la generación de un voltaje continuo eléctrico por la aplicación exclusiva de calor.

La temperatura T1 es diferente de la temperatura T2 y el metal A es igual al metal B, entonces se genera una f em = 0

LEY DOS;
Si se interrumpe un circuito termoeléctrico en una de sus uniones intercalándose un nuevo metal, la F.E.M. generada por el circuito no cambia a condición de que los extremos del nuevo metal sean mantenidos a la misma temperatura que había en el punto de interrupción y de que la temperatura en la otra unión permanezca invariable.

Ley de metales intermedios. En un circuito termoelectrico con varios conductores, la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura "A" hasta otro punto de soldadura "B", la suma algebraica de las fuerzas electromotrices es independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo los metales A y B.

La temperatura T1 es igual a la temperatura T2 y el metal A es diferente del metal B, entonces se genera una fem = 0

LEY TRES;
En un circuito formado por dos metales diferentes la FEM generada es diferente de cero, siempre y cuando las temperaturas sean diferentes en la unión caliente con respecto de la unión fría;

Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.

T1 es diferente de T2 y el metal A es diferente del metal B, entonces la fem que se genera es diferente de 0

A estas uniones se les denomina: "Termopares".

Tabla de Elementos Térmicos

Elemento

Rango en ° C

Temperatura máx.
en el aire

Sensibilidad

tipo

Níquel

 

-200 a + 150

 

+150 ° C

  100 a 0 ° C
 dR= 0.617 omhs / ° C

-

Platino

 

-200 a + 550

 

+550 ° C

100 a 0 ° C 
dR = 0.285 omhs / ° C

-

Cobre / Constantan 

  -200 a + 600

+400 ° C

dV = 5 mV/ 100 ° C

T

Hierro / Constantan

+95 a + 760

+600 ° C

dV = 5.6 mV/ 100 ° C

J

Nicromo / Niquel 

-200 a + 1200

+900 ° C

dV = 4.1 mV/ 100 ° C

-

Platino / Platino-Rodio13%

+870 a + 1450

+1300 ° C

dV = 1.2 mV/ 100 ° C

R

Platino / Platino-Rodio10%

+980 a +1450

-

-

S

Platino 30%, Rodio(+) / Platino 6%, Rodio (-)

+1370 a +1700

-

-

B

Cromo (+) / Constantano (-)

+95 a +900

-

-

E

Cromo (+) / Alumel (-)

+95 a +1250

-

-

K

Nicrosil (+) / Nisil (-)

+650 a +1260

-

-

N

Cobre (+) / Constantano (-)

+95 a +350

-

-

T

 



Termopar de Cromel - Alumel (Tipo K);

Cromel (+) << 64% Níquel + 25% Hierro + 11% Cromo

Alumel (-) << 94% Níquel + 3% Manganeso + 2% Aluminio + 1% Silicio

Características;
La curva es lineal y presenta buena reproductibilidad hasta 1200 ° C proporcionando 0.04 mV/° C, contiene alta resistencia a la corrosión y a la oxidación, su rango es continuo hasta llegar a los 1300 ° C.



Termopar de Hierro - Constantan (Tipo J);

Hierro (+) << Debe estar exento de impurezas.

Constantan (-) << 60% Cobre + 40% Níquel

Características;
Esta termocupla solo es aconsejable en ambientes no oxidantes su rango es continuo hasta los 250 ° C y contiene una respuesta de 0.055 mV/° C.



Termopar de Cobre Constantan (Tipo T);

Cobre (+) << Debe estar exento de impurezas.

Constantan (-) << 60% Cobre + 40% Níquel

Características;
Su respuesta es similar a la del Termopar de Hierro Constantan, proporciona aproximadamente 0.055 mV/° C, con un rango máximo hasta llegar a 300 ° C, se recomienda por su buena señal, para mediciones de precisión dentro de un limite no superior a los 250 ° C, tiene alta resistencia a la oxidación.



Termopar de Copel Cromel

Cromel (+) << 64% Níquel + 25% Hierro + 11 % cromo

Copel (-) << 45% Níquel + 55 % Cobre

Caracteristicas.
Se usa esta termocupla hasta 600 ° C de rango máximo.



Termopar de Cromel Constatan

Cromel (+) << 64% Níquel + 25% Hierro + 11 % cromo

Constatan (-) << 60% Cobre + 40% Níquel

Caracteristicas;
Respuesta aproximada de 0.08 mV/° C con un rango máximo de 700 ° C.


Termopar de Platino - Platino/Rodio;

Platino (+) << Debe estar exento de impurezas.

Platino/Rodio (-) << 87% Platino + 11% Rodio

Caracteristicas;

Su rango es continuo hasta los 1500 ° C por encima de esta temperatura el Termopar se destruye sin embargo proporciona señal hasta los 1700 ° C antes de destruirse.

Gráfica de respuesta para diferentes tipos de termopares.



MEDICIONES CON TERMOPAR

Se recomienda constatar siempre el estado general del circuito termoeléctrico con el fin de determinar si el Termopar corresponde a los estándares conocidos, los milivoltimetros usados en pirometría deben ser construidos con elevada resistencia interna de a fin de que el consumo propio del instrumento sea reducido.

E1 = e2 [ (Rg) / (S R) ]

E1 = e2 [ (Rg) / (Rg + Rt + RL) ]

Cuanto mayor sea Rg, el cociente será mas próximo a la unidad y la lectura de mV será más exacta;

Rg = 600 W RL + Rt = 2 W e1 = 0.996 e2
Rg = 30 W RL + Rt = 2 W e1 = 0.937 e2
Rg = 10 W RL + Rt = 2 W e1 = 0.832 e2

Lo que explica una corrección por Ri de importancia, por esta razón las normas de pirometría aconsejan usar instrumentos de no menos de 300 W de resistencia interna.


USOS DE LOS TERMOPARES

Que son los termopares ??.

En la criotécnia se usan termómetros de resistencia y termoelementos para la medición de temperaturas por encima de los -200 ° C. El material en los termoelementos usado es alambre de platino de aproximadamente 0.05 mm de diámetro, estos contienen gran velocidad de reacción y muy alta precisión en intervalos que van desde -200 ° C hasta +1000 ° C.

Se usan en la industria textil para medir temperaturas en los tejidos, en la industria alimenticia para medir la temperatura en los procesos de fermentación.

Los termómetros de "dilatación de varilla" se utilizan para la medición precisa de las temperaturas en gases de escape lento a presión baja, tales como gases de humo en las chimeneas.

Se utilizan además para medir temperaturas de la sangre en el interior del cuerpo humano usando minielementos térmicos con diámetros de 0.45 mm, estos se adaptan directamente a la aguja hipodérmica de la jeringa, para aislar los alambres se colocan dos perfiles en forma de ranuras longitudinales.


TRANSMISOR DE TEMPERATURA CON TERMISTOR