Tipos de term´ ometros Mar´ıa D´avila Victor Escorcia Los term´ ometros son instrumentos utilizados para medir la temperatura de los sistemas. Su principio de funcionamiento se basa en la ley cero de la term´odinamica1 , sin embargo existen diferentes tipos de term´ ometros dise˜ nados con base en como se afectan las propiedades mec´anicas, el´ectricas u´ opticas de un material sometido a un cambio en su temperatura. Term´ ometros hay en gran variedad y con el desarrollo tecnol´ogico y la implementaci´on de nuevos materiales se ha incrementado el n´ umero y la variedad de los mismos, sin embargo se pueden distinguir las siguientes clases: Term´ ometros de dilataci´ on como su nombre lo dice ´este tipo de term´ometros se basan en la propiedad de expansi´ on t´ermica que sufren los materiales, y son usados para mediciones dentro del rango normal. Dentro de ´este grupo se encuentran: ´ ´ TERMOMETRO DE CINTA BIMETALICA Este term´ ometro consiste en una cinta hecha de dos metales de coeficientes de dilataci´on t´ermica muy diferente, tales como el Invar y el lat´on, soldados cara con cara en toda su longitud. La cinta puede ser casi recta o puede formar una espiral para conseguir mayor sensibilidad. Una elevaci´ on de temperatura cambia la curvatura de la cinta, puesto que el lat´ on aumenta m´ as r´ apidamente en longitud que el Invar. Si uno de los extremos es fijo, un indicador unido al extremo libre se mueve sobre una escala graduada en temperaturas o una pluma se mueve sobre una tarjeta movible para registrar la temperatura. Las cintas bimet´ alicas se emplean para obrar sobre contactos el´ectricos que controlan la temperatura de habitaciones, ba˜ nos de aire y hemos. Dentro del intervalo. La respuesta a los cambios de temperatura es casi lineal. Dentro del intervalo de temperaturas aceptado (no superior a 1500 C. cuando se emplea el lat´on, considerablemente superior cuando se emplea en lugar del lat´on una aleaci´on de cromo y n´ıquel), los errores inherentes a la cinta son insignificantes. Pueden ocasionarse errores apreciables en el enlace mec´ anico. Hay una forma, la cual la cinta bimet´alica es una espiral dentro de un tubo delgado de metal, y la aguja indicadora se mueve sobre una escala circular graduada, coaxial con el tubo. ´ TERMOMETROS L´IQUIDOS En un term´ ometro de l´ıquido en dilataci´on, el sistema se llena completamente con un l´ıquido apropiado y consiste en un bulbo conectado por tubo capilar a un elemento en forma de h´elice o espiral de Bourdon situado en la caja del instrumento. A medida que aumenta la temperatura y se dilata el l´ıquido, la h´elice tiende a deshacerse para proporcionar el aumento de volumen y es mayor. La presi´on de llenado elegida debe ser tal, que la temperatura de ebullici´on del l´ıquido sea apreciablemente m´as alta que la mayor temperatura que el sistema haya de medir. Pueden medirse temperaturas desde −175◦ C. hasta 300◦ C. (550◦ C. para el mercurio). Aunque los cambios de volumen son relativamente peque˜ nos, las fuerzas ejercidas pueden ser grandes para accionar el elemento, y por consiguiente, este tipo de medida se considera bueno para aparatos reguladores que requieran alto grado de estabilidad. ´ TERMOMETROS DE GAS El term´ ometro de gas de volumen constante es el m´as exacto de este tipo. S´olo se emplea en los laboratorios de patrones a causa de su complejidad y de su tama˜ no. Para usos industriales, un term´ ometro por presi´on de gas consta de un elemento que mide la presi´ on, 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 presi´on, con un gas inerte, 1 Si dos sistemas est´ an separadamente en equilibrio t´ ermico con un tercero, entonces ellos deben estar en equilibrio t´ ermico entre s´ı.
1
Figura 1: Term´ometros de cinta bimet´alica
Figura 2: Term´ ometros l´ıquidos en vidrio com´ unmente usado en la industria ordinariamente el nitr´ ogeno. Puesto que la presi´on del gas en un recipiente cerrado es proporcional a su temperatura absoluta, el elemento medidor puede ser calibrado en gra2
dos de temperatura con una escala dividida uniformemente. Como el gas del elemento medidor y del tubo de conexi´on no est´a a la temperatura del bulbo, el volumen de ´este tiene que ser grande para que los errores introducidos por la diferencia de temperatura del elemento medidor de la presi´on 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 transmisi´on de los cambios de presi´on por el tubo capilar, la longitud de ´este se limita a un m´aximo de 60m, y es preferible mucho menos. Kg La presi´ on inicial en el term´ ometro de gas es ordinariamente de 10 a 35 cm 2 . La temperatura es indicada por una aguja que se mueve sobre una escala graduada o se registra en un papel de gr´ aficas sobre un cilindro por una pluma accionada por el elemento que mide la presi´ on. La escala para los registradores rara vez es menor de 100 grados centesimales, pero en los aparatos indicadores el campo puede ser menor.
Figura 3: Term´ometros gas a volumen constante Term´ ometros De Resistencia Un term´ometro de resistencia es un instrumento utilizado para medir las temperaturas aprovechando la dependencia de la resistencia el´ectrica de metales, aleaciones y semiconductores (termistores) con la temperatura; tal es as´ı que se puede utilizar esta propiedad para establecer el car´acter del material como conductor, aislante o semiconductor. ´ TERMOMETROS RESISTIVOS RTD Para el caso en que el material empleado sea conductor se hace necesario que se cumplan algunos requerimientos como: 1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida ser´ a muy sensible. 2. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada, 3
mayor ser´ a la variaci´ on por grado; mayor sensibilidad. 3. Relaci´ on lineal resistencia-temperatura. 4. Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricaci´on de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda a fin de obtener tama˜ nos peque˜ nos (rapidez de respuesta). ´ Este tipo de term´ ometros se ve afectado por la temperatura de fusi´on del material y los efectos mec´ anicos que puede ocasionar en la medida el aumento en la temperatura, algunos de los materiales con que se fabrican ´este tipo de term´ometros son platino, n´ıquel, tungsteno o cobre. Los m´etodos de funcionamiento de ´este tipo de term´ometro se basan en diferentes tipos de circuitos el´ectricos.
Figura 4: Term´ometros RTD ´ TERMOMETROS TERMISTORES NTC/PTC Un termistor es una resistencia el´ectrica que var´ıa su valor en funci´on de la temperatura. Existen dos clases de termistores: NTC y PTC. - NTC: Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve decrementado a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy r´apidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricaci´on ´oxidos semiconductores de n´ıquel, zinc, cobalto, ´etc. La relaci´on entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial: B R = Ae T Donde A y B son constantes que dependen del termistor. - PTC: Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitaci´on de corriente, sensor de temperatura, desmagnetizaci´on y para la protecci´on contra el recalentamiento de equipos tales como motores el´ectricos. Tambi´en se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensaci´on. El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta. Las aplicaciones de un termistor PTC est´ an, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas.
Figura 5: Termitors NTC Pir´ ometros Un pir´ ometro en un instrumento utilizado para medir, por medios el´ectricos, elevadas 4
temperaturas por encima del alcance de los term´ometros de mercurio. Este t´ermino abarca a los pir´ ometros ´ opticos, de radiaci´on, de resistencia y termoel´ectricos. ´ ´ PIROMETROS DE RADIACION Los pir´ ometros de radiaci´ on se fundamentan en la ley de Stefan - Boltzman que dice que la energ´ıa radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir W = sT 4 donde W (potencia emitida) es el flujo radiante por unidad de ´area, s es la constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W / m2 K4) y T es la temperatura en Kelvin. Los pir´ ometros de radiaci´on para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas. El medio de enfocar la radiaci´on que le llega puede ser una lente o un espejo c´oncavo; el instrumento suele ser de ”foco fijo.o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple par termoel´ectrico en aire o en bulbo de vac´ıo o una pila termoel´ectrica de uni´on m´ ultiple en aire. La fuerza electromotriz se mide con un milivolt´ımetro o con un potenci´ometro, con car´acter indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador. El espejo c´oncavo 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 aberraci´on crom´atica, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda. 2) las lentes de vidrio o de s´ılice v´ıtrea absorben completamente una parte considerable de la radiaci´ on de largas longitudes de onda. La radiaci´on reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en ´el incide.
Figura 6: Pir´ ometro de radiaci´on, su uso es my com´ un en la industria del acero ´ ´ PIROMETRO OPTICOS Se basan en la ley de distribuci´on de la radiaci´on t´ermica de Wien. lm = A T , donde A = 0,2897 si lm viene en cm. La longitud de onda correspondiente al m´aximo de potencia irradiada en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo infinitamente peque˜ no de longitudes de onda es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo negro. En la medici´ on de temperaturas con estos pir´ometros hacemos uso de una caracter´ıstica de la radiaci´ on t´ermica: el brillo. El brillo de la radiaci´ on 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 relaci´on entre el brillo Jl T de la fuente en esta banda estrecha, la longitud λ 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 distribuci´on de la radiaci´ on t´ermica de Wien. Sin embargo la modificaci´on de Planck de esta ley es exacta. La ley de Wien es suficientemente exacta para las longitudes de onda visibles hasta por lo menos 1800◦ C y es matem´aticamente de manejo m´as c´omodo que la ley de Planck. Term´ ometros magn´ eticos A temperaturas pr´oximas al cero absoluto la mayor parte de los m´etodos mencionados (term´ ometros de resistencia, pares termoel´ectricos, pir´ometros de radiaci´ on, etc.) resultan ineficaces. 5
Figura 7: Pir´ometro ´optico En su lugar se utilizan los term´ ometros magn´eticos, basados en la variaci´on con la temperatura de la susceptibilidad magn´etica , c, de las sales paramagn´eticas. Estas sales siguen la ley de Curie cT = cte. Por lo tanto, para medir la temperatura T , es suficiente determinar la susceptibilidad de la sal paramagn´etica correspondiente, lo cual se realiza midiendo la autoinducci´on de un arrollamiento que rodea la muestra. El m´etodo es particularmente u ´til en los sistemas que utilizan sales paramagn´eticas como refrigerantes para obtenci´ on de bajas temperaturas. No obstante, esta ley deja de ser v´alida por debajo de la temperatura de Curie. Por debajo de este punto se define una temperatura magn´etica T 0 , a partir de la propia ley de Curie (admitiendo que siguiera cumpli´endose). As´ı, si la susceptibilidad es c a una temperatura T por encima del punto de Curie y c0 por debajo del mismo a la temperatura magn´etica T 0 , se cumplir´ a T 0 = (c/c0 )T , temperatura que puede reducirse al valor Kelvin correspondiente. Term´ ometros ac´ usticos Pumb y Cataland, en el National Bureau of Standards desarrollaron el term´ ometro ac´ ustico que puede alcanzar una reproducibilidad de 0,001K a 2K y 0,005K a 20K. El term´ ometro ac´ ustico se basa en la ley de la variaci´on de la velocidad del sonido en el seno de un gas en funci´ on de la temperatura. Para un gas tal como el helio, a baja presi´on, la determinaci´ on de la temperatura s´olo depende de la medida experimental de la velocidad del sonido, suponiendo conocidos los dem´as par´ametros. El term´ometro ac´ ustico de helio se emplea desde 2 a 20K. Informaci´ on mas profunda de ´este term´ometro puede consultarse en el siguiente art´ıculo US Patent 5624188 - Acoustic thermometer. Otros Adem´ as te los tipos de term´ ometros mencionados anteriormente existen otros term´ometros o t´ecnicas de medici´ on que u ´ltimamente se vienen implementando como la teledetecci´on, que ayuda a medir la temperatura de la tierra, y el efecto doppler que ayuda a medir la temperatura de los planetas de mediante las leyes del electromagnetismo.
6