Termómetros en la Instrumentación y Control Industrial
Termómetros en la Instrumentación y Control
Industrial
Ingeniería Industrial
(UPIICSA)
- Termometría
- Tipos de
Termómetros - <>Pirómetros
- <>Detectores de
temperatura resistivos (RTD) - <>Termistores NTC
PTC .Termómetros de resistencia de
silicio - <>Pares
termoeléctricos - <>Bibliografía
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 = U / S. 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.
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 -39 °C (punto de congelación del
- 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.
- desde – 112 °C (punto de congelación
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 |
Columna de mercurio, alcohol, etc., en un | Longitud |
Gas a volumen constante | Presión |
Gas a presión constante | Volumen |
Termómetro de resistencia | Resistencia eléctrica de un |
Termistor | Resistencia eléctrica de un |
Par termoeléctrico | F.e.m. termoeléctrica |
Pirómetro de radiación | Ley de Stefan – Boltzmann |
Pirómetro de radiación | Ley de Wien |
Espectrógrafo térmico | Efecto Doppler |
Termómetro magnético | Susceptibilidad magnética |
Cristal de cuarzo | Frecuencia de vibración |
Principios en que se basan los
algunos instrumentos
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.
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.
En un termómetro de gas de |
Termómetros de
resistencia de platino
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.
Varias sondas |
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)
La temperatura del acero |
2.1.- PRINCIPIO FÍSICO
EN EL QUE SE BASAN
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 =
T4
donde
W (potencia emitida) es el flujo radiante por unidad de
área,
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 = 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.
2.2.- ESTRUCTURA DE
LOS PIRÓMETROS DE RADIACIÓN
Los pirómetros de radiación para uso
industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se
han construido de diversas formas. El medio de enfocar la
radiación que le llega puede ser una lente o un espejo
cóncavo; el instrumento suele ser de "foco fijo" o
ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple
par termoeléctrico en aire o en bulbo
de vacío o una pila termoeléctrica de unión
múltiple en aire. La fuerza
electromotriz se mide con un 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 |
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 |
Nimonic 75 | 76 | 20 | 4 | 0.1 |
|
| igual al anterior, no fragilizándose por el |
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 |
Material | Composición | Temperatura máxima | Observaciones |
Cuarzo | sílice fundida | 1260 | resistencia excelente al choque |
Firebick |
| 1450 | protección secundaria para tubos |
Sílice | sílice | 1600 | en crisoles para vidrio |
Sillramic | sílice-aluminio | 1650 | resistencia al choque térmico |
Mullite | sílice-aluminio | 1650 | protección secundaria de choque |
aluminio de alta pureza | 99 % aluminio | 1870 | resistencia al choque mecánico y |
óxido de berilio | óxido de berilio | 2200 | resistencia excelente al choque |
Tubos metálicos cerámicos | cromo-aluminio | 1425 | resistencia excelente a los sulfuros |
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.
|
Diagrama de un pirómetro |
3.1 PRINCIPIO FÍSICO EN
EL QUE SE BASAN
Se basan en la ley de distribución de la
radiación térmica de Wien. m = A
/ T, donde A = 0.2897 si m 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
J 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:
JC-5
exp [C2/ T]
La modificación de Planck de esta ley
JC1
-5 exp [(C2/ 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.
3.2 ESTRUCTURA DE LOS
PIRÓMETROS ÓPTICOS
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
ln
C2 = 1 / T2 – 1 / T1 =
A
donde es la longitud de onda efectiva media
transmitida por el filtro rojo, 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 , 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.
3.3 CORRECCIONES EN LA
TEMPERATURA DE CUERPOS NO NEGROS
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 = 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
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.
3.4 ERRORES DEBIDOS A LA
REFLEXIÓN
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 = 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.
DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS
(RTD)
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).
El símbolo general |
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.
Curvas usuales de |
La relación entre estos factores, se puede ver en
la expresión lineal siguiente
Rt = Ro
(1 + t)
donde
Rt es la resistencia en
ohmios a t °C
Roes la
resistencia en ohmios a 0 °C
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 – t – t2 – 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.
Características que
deben poseer los materiales que forman el conductor de la
resistencia
- Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya
que de este modo el instrumento de medida será muy
sensible. - Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la
resistencia a una temperatura dada, mayor será la
variación por grado; mayor sensibilidad. - Relación lineal
resistencia-temperatura. - Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los
procesos de
fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en
las bobinas de la sonda a fin de obtener tamaños
pequeños (rapidez de respuesta).
Materiales usados normalmente
en las sondas
Es el material más adecuado desde el punto de
vista de precisión y estabilidad, pero presenta el
inconveniente de su coste. En general la sonda de resistencia de
Pt utilizada en la industria
tiene una resistencia de 100 ohmios a 0 ºC. por esta
razón, y por las ventajosas propiedades físicas del
Pt fue elegido este termómetro como patrón para la
determinación de temperaturas entre los puntos fijos desde
el punto del Oxigeno (-183
ºC) hasta el punto de Sb (630'5).
Con un termómetro de este tipo convenientemente
graduado, se pueden hacer medidas con una exactitud de 0'01
ºC y cambios de temperatura de 0'001 ºC pueden medirse
fácilmente.
El valor elegido para Ro es de ordinario 25'5 ohmios
aproximadamente; la resistividad del platino aumenta
aproximadamente 0'39% de la resistividad a 0 ºC por grado de
elevación de temperatura.
A 100 ºC el valor de Rt será por
consiguiente 35'5 ohmios, aumento de 0'1 ohmios por
grado.
Para medir hasta 0'01 con un error menor que 1%
habría que medirse Rt con aproximación de 0'00001
ohmios. El elemento medidor puede ser un puente de Wheaston o un
potenciómetro de precisión.
El Platino se emplea mucho en los termómetros de
resistencia industriales, en escala de temperatura
aproximadamente -50 ºC hasta 550 ºC.
Los arrollamientos están protegidos contra
desperfectos por tubos de metal y dispuestos de manera que
permiten rápido intercambio de calor en el arrollamiento y
el medio en que está colocado el tubo
Sonda termométrica de |
Mas barato que el Pt y posee una resistencia
más elevada con una mayor variación por grado, el
interés
de este material lo presenta su sensibilidad; hay una falta de
linealidad en su relación R – Tª. Efectivamente en el
intervalo de temperatura de 0 a 100 ºC, la resistencia de
Níquel aumenta en un 62% mientras que el Pt solo
aumenta en un 38%. Sin embargo los problemas
relativos a su oxidación u otro tipo de deterioro
químico, limitan su utilización e incluso ponen
en peligro la reproducibilidad de sus medidas. Otro
problema añadido es la variación que experimenta su
coeficiente de resistencia según los lotes
fabricados.
Termómetro de resistencia |
Los termómetros de resistencia de níquel
se usan mucho. Su intervalo de valor de Ro es de 10 a 10000
ohmios; los valores superiores se usan para eliminar el error
debido a la variación de resistencia de conductores y
contactos; particularmente en los circuitos en
los que solo se emplean dos conductores. En este caso el circuito
medidor es un puente de Wheaston equilibrado para una
temperatura particular del termómetro. Las variaciones de
temperatura desequilibran el puente y la corriente de
desequilibrio mide la temperatura. Así el
termómetro puede hacerse de lectura directa en el
cuadrante de una amperímetro. En instalaciones
industriales de precisión en las cuales se consigue el
equilibrio del puente por acción manual o por
medio de un registrador automático equilibrador, se usan
termómetros de tres conductores.
El cobre tiene una variación de resistencia
uniforme en el rango de temperatura cercano a la ambiente; es
estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja
resistividad, ya que hace que las variaciones relativas de
resistencia sean menores que las de cualquier otro metal. Por
otra parte sus características químicas lo hacen
inutilizable por encima de los 180 ºC.
Metal | Resistividad microhmios . cm | Coeficiente | Intervalo útil de | Diámetro mínimo | Coste relativo | Resistencia sonda a 0 | Precisión |
Platino | 9.83 | 0.00392 | – 200 a 950 | 0.05 | Alto | 25.100.130 | 0.01 |
Níquel | 6.38 | 0.0063 a 0.0066 | – 150 a 300 | Medio | 100 | 0.50 | |
Cobre | 1.56 | 0.00425 | – 200 a 120 | Bajo | 10 | 0.10 | |
Características de sondas |
Tiene una sensibilidad térmica suprior a la del
platino, por encima de 100 ºC y se puede utilizar a
temperaturas más altas, incluso con una linealidad
superior. Asimismo se puede hacer hilo muy fino, de manera que se
obtengan resistencias
de valor elevado, pero como consecuencia de sus propiedades
mecánicas su estabilidad es muy inferior a la del platino.
Las técnicas
actuales de fabricación de láminas delgadas por
evaporación, serigrafía u otro procedimiento
ligado a la microelectrónica permiten depositar en
superficies muy pequeñas resistencias de los materiales
indicados anteriormente
Para la determinación del valor de la
resistencia, es de tipo metálico o semiconductor, se
pueden utilizar tres tipos diferentes de montaje. El procedimiento
más sensible y de mayor precisión es el de tipo
potenciométrico que utiliza dos fuentes de alimentación de
corriente estabilizada para alimentar las dos ramas del
potenciómetro. En serie con la resistencia a determinar se
conecta una resistencia de precisión conocida previamente.
Este método es el más preciso de los que vamos a
describir porque es un método de cero, con lo que la
medida realizada elimina los errores que puedan introducir los
conductores de conexión al sensor de platino, pero para
ello es necesario que esta resistencia tenga conectados cuatro
hilos, dos para la corriente y dos para la lectura de
tensión.
Método |
El segundo procedimiento para realizar esta medida, y
también el que iría en segundo lugar en cuanto a
precisión, sería el método de medida de
resistencias con el puente de Wheastone, utilizando resistencias
de dos, tres o cuatro hilos.
La sonda de resistencia se conecta a uno de los |
Es el más utilizado en la |
Se utiliza para obtener la mayor precisión
posible en la medida como es el caso de calibración de
patrones de resistencia en laboratorio. Se basa en efectuar dos
mediciones de la resistencia de la sonda combinando las
conexiones de modo tal que la sonda pase de un brazo del puente
al adyacente. De este modo se compensan las resistencias
desiguales de los hilos de conexión.
Finalmente, el procedimiento que más se utiliza,
aunque su precisión dependa total y exclusivamente del
aparato de medida, es la medida de la diferencia de potencial
entre los extremos del sensor alimentado por una fuente de
corriente constante. Este corresponde al método de las
cuatro puntas de determinación de resistencias. Muchos
multímetros vienen preparados para la determinación
de resistencias por este método o por el de dos puntas
unicamente. También cabe indicar que hay numerosos
multímetros que tienen incorporado en su sistema de medida
de resistencias la posibilidad de que ésta se corresponda
con un termómetro de platino, y por tanto, visualiza
directamente los valores de la temperatura en la escala
elegida.
Otro tipo de termómetros de
resistencia son los termistores (palabra procedente del
inglés
thermistor, contracción de "thermally sensitive
resistor"), formados por sustancias semiconductoras cuya
conductividad eléctrica varía con la temperatura
según una función
del tipo R = A exp (B/T), siendo R la resistencia del termistor a
la temperatura T, y A y B dos constantes cuyos valores
típicos son del orden de 0.05 y 800 K,
respectivamente.
TERMISTORES NTC PTC TERMOMETROS
DE RESISTENCIA DE SILICIO
Son resistores variables con
la temperatura, pero no están basados en conductores como
las RTD, sino en semiconductores. Si su coeficiente de
temperatura es negativo NTC (negative temperature coefficient),
mientras que si es positivo, se denominan PTC. Los
símbolos respectivos son los de la figura donde el trazo
horizontal en el extremo de la linea inclinada indica que se
trata de una variación no lineal.
La principal característica de este tipo de
resistencias es que tienen una sensibilidad del orden de diez
veces mayor que las metálicas y aumenta su
resistencia al disminuir la temperatura.
Su fundamento esta en la dependencia de la resistencia
de los semiconductores con la temperatura, debida a la
variación con esta del numero de portadores reduciendose
la resistencia, y de ahí que presenten coeficiente de
temperatura negativo. Esta dependencia varia con la presencia de
impurezas, y si el dopado es muy intenso, el semiconductor
adquiere propiedades metálicas con coeficiente de
temperatua positivo (PTC) en un margen de temperaturas
limitado.
Para las NTC, en un margen de temperaturas reducido (50
ºC), la dependencia se puede considerar de tipo exponencial
de la forma
RT = Ro exp [B (1/T
–
1/To)],
(a)
donde Ro es la resistencia a 25 ºC u
otra temperatura de referencia, y To es dicha
temperatura expresada en Kelvin; la figura muestra la
dependencia real entre Rt y T para algunos modelos.
Variación de la resistencia de diversos
termistores NTC con la temperatura
El parámetro B es la denominada temperatura
característica del material, y tiene valores de 2000 K a
5000 K, pero varía con la temperatura, aumentando al
aumentar esta.
Si por analogía con las RTD se define un
coeficiente de temperatura equivalente o sensibilidad
relativa
= (d RT / dT) /
RT
(b)
en ese caso se obtiene a partir de (a),
= – B /
T²,
(c)
que obviamente no es constante, y por los tanto expresa
la no linealidad del comportamiento. A 25 ºC y con B = 4000K
resulta =-4.5 % / K, que es mas de 1O veces superior a
la del Pt.
El valor de B se puede encontrar midiendo la resistencia
del termistor a dos temperaturas conocidas T1 y T2. Si la
resistencia respectiva es R1 y R2
tendremos:
B = ln (R1 R2) /
(1/T1 –
1/T2)
(d)
El valor de B se suele expresar como B
T1/T2. Por ejemplo B 25/85°
Para un termistor típico, en el margen de 0 a 50
ºC el error cometido al emplear un modelo de dos
parámetros es del orden de + 0,3 ºC. Con tres
parámetros se logran errores de + 0,01 ºC en un
margen de 100 ºC. El modelo viene
descrito en este caso mediante la ecuación empírica
de Steinhart y Hart.
Rt = exp (A + B/T
+
C/T3)
(e)
Con cuatro parámetros se logra un mejor ajuste
entre la curva real de evolución de RT y la
ecuación teórica. En este caso, se determinan los
parámetros midiendo RT a cuatro temperaturas distintas
conocidas.
Para algunas aplicaciones de los termistores, interesan
no tanto sus características resistencia-temperatura como
la relación entre la tensión en bornes del
termistor y la corriente a su través .
Para corrientes bajas, la tensión en bornes del
termistor es prácticamente proporcional a la corriente
porque el autocalentamiento del termistor es muy
pequeño. Cuando aumenta la corriente, el termistor sufre
un autocalentamiento apreciable (punto A de la curva) y alcanza
una temperatura por encima de la del ambiente, reduciendose su
resistencia, y por lo tanto, la caída de tensión a
su través. La potencia disponible en el circuito determina
el punto en el que se alcanza el régimen estacionario. El
punto E, corresponde a la corriente máxima no
peligrosa.
Al aumentar la temperatura ambiente, la curva se
desplaza hacia abajo.
En la zona de autocalentamiento el termistor es sensible
a cualquier efecto que altera el ritmo de disipación de
calor. Esto permite aplicarla a las medidas de caudal,
conductividad calorífica… Si la velocidad de
extracción de calor es fija, el termistor es sensible a la
potencia eléctrica de entrada y entonces se puede aplicar
al control de nivel
de tensión o de potencia.
En otras aplicaciones la característica que
interesa es la que describe la evolución de la corriente en el termistor a
lo largo del tiempo después de aplicarla. El circuito
empleado para este análisis es
y el comportamiento típico para
diversas tensiones aplicadas es
Característica corriente-tiempo para una
determinada resistencia en serie con el termistor
Si la resistencia disminuye, las curvas se desplazan
hacia arriba.
Se observa que el autocalentamiento está sometido
a una constante de tiempo que supone un retardo entre la
tensión aplicada y el instante en que se alcanza el valor
de corriente estacionario. Esta característica se
aprovecha en los circuitos de
retardo y para la supresión de transitorios.
Para las PTC hay dos tipos de comportamiento
según la composición y el dopado. Las de tipo
cerámico presentan un cambio brusco de resistencia cuando
se alcanza la temperatura de Curie de la forma indicada en la
figura.
Características resis tencia –
temperatura de un positor (a) y de un silistor (b)
Se denominan a veces "positores". Su coeficiente de
temperatura es positivo sólo en un margen concreto de
temperaturas; fuera de él es negativo o casi nulo. La
temperatura de conmutación especificada, Ts, corresponde a
aquella a la que la PTC tiene una resistencia doble del valor
mínimo.
Las PTC basadas en Silicio dopado presentan una
variación más suave con la temperatura. A veces se
comercializan ya linealizadas, con denominaciones tales como
"tempsistores" o "silistores".
Este tipo de resistencia, aunque corresponde a un
semiconductor, se diferencia de los termistores por las
siguientes características: aumenta su resistencia con la
temperatura; su variación térmica es menor, lo que
permite una linearización mejor utilizando una resistencia
de compensación. Debido a que la técnica de
fabricación del silicio es extraordinariamente precisa, la
tolerancia de
la producción es excelente. El intervalo de
temperaturas de utilización es, por el contrario,
reducido: se extiende desde -50 °C a 120 °C. Estas
resistencias suelen ser de tipo N, fabricadas por técnicas
planas por difusión de impurezas en una lámina de
silicio monocristalino. Sus características
eléctricas y térmicas dependen de su
fabricación y, en partícula, de las
impurezas.
En la figura anterior (b) se representaba la curva
característica de un silistor.
Las limitaciones que cabe considerar en el empleo de los
modelos
anteriores al aplicar los termistores a la medida de temperatura
u otras magnitudes, son similares a las expuestas para las RTD.
Aquí hay también un límite impuesto por la
temperatura de fusión, y hay que evitar el
autocalentamiento si no lo requiere la aplicación
pretendida.
Mención particular merecen aquí la
estabilidad del termistor con el tiempo y el medio. La primera se
logra sometiéndolos a un envejecimiento artificial. La
segunda se consigue recubriendo el termistor con vidrio si el
medio donde va a trabajar le afecta. La intercambiabilidad es
otro parámetro a considerar, pues sólo está
garantizada para modelos especiales. Por ello, al sustituir un
termistor en un circuito suele ser necesario reajustarlo, aunque
se trate de una unidad del mismo modelo.
Por su alta sensibilidad permiten obtener alta
resolución en la medida de temperatura. Dada su alta
resistividad, pueden tener masa muy pequeña, lo que les
confiere una velocidad de respuesta rápida y permite
emplear hilos largos para su conexión, aunque éstos
vayan a estar sometidos a cambios de temperatura, porque ellos
tienen mayor resistencia y coeficiente de temperatura. El coste
es muy bajo.
Las NTC se fabrican a base de mezclar y sinterizar
óxidos dopados de metales como el níquel, cobalto,
manganeso, hierro y cobre. El proceso se
realiza en una atmósfera controlada dándoles la
forma y tamaño deseados. La proporción de
óxidos determina la resistencia y el coeficiente de
temperatura.
Distintas formas de los |
La principal característica de este tipo de
resistencias es que tienen una sensibilidad del orden de 10 veces
mayor que las metálicas y aumentan su resistencia al
disminuir la temperatura. Estos semiconductores están
constituir por óxidos metálicos, tales como Mg O,
Mg Al O, Mn O, Fe O, Co O, Ni O, Zn Ti O. Los termistores se
fabrican por sintetización del semiconductor en polvo, lo
que permite preparar resistencias del valor más adecuado y
de tamaño reducido, del orden de milímetros. Este
procedimiento de preparación, junto a sus
características eléctricas, hace de los termistores
elementos que pueden realizar la medida de temperaturas en una
región muy reducida, casi puntual, y además debido
a que su calor específico es pequeño, ofrecen una
velocidad de respuesta muy elevada. La estabilidad de un
termistor depende de su preparación y de las condiciones
de utilización.
El rango de utilización de los termistores se
extiende hasta temperaturas cercanas a la del helio
líquido pero sólo puede subir hasta unos 300
°C. Hay que tener en cuenta que la temperatura de
licuación de estos materiales es bastante baja en
comparación con los metales. Como contrapartida, resulta
necesario calibrar cada uno de los termistores, pues no son
intercambiables los valores de uno a otro elemento. En general
tienen una tolerancia del 10 % de su valor nominal.
Para altas temperaturas (> 1000 °C) se emplean
óxidos de Itrio y circonio.
Las PTC de conmutación están basadas en
titanato de bario al que se añade titanato de plomo o de
circonio para determinar la temperatura de conmutación.
Hay modelos entre -100 ° y 350°C. Las PTC de medida
están basadas en silicio dopado.
Las formas en que se presentan las NTC son
múltiples, y cada una de ellas está orientada a un
grupo concreto
de aplicaciones. Las de "gota", "escama" y "perla" se prefieren
para aplicaciones de medida de temperatura, mientras que las de
"disco", "arandela" y "varilla" son aptas para la
compensación y control de temperatura y para aplicaciones
con autocalentamiento.
Parámetro | |
Margen de temperatura | -100 °C a 450 °C (no en un mismo |
Resistencia a 25 °C | 0.5 a 100 M (± 5% |
B | 2000 K a 5500 K |
Temperatura máxima | > 125 °C |
Coeficiente de disipación, | 1 mW/K en aire en reposo |
Constante de tiempo térmica | 1 ms a 22 s |
Potencia disipable | 1 mW a 1 W |
Características generales de los modelos |
Las aplicaciones de los termistores se pueden dividir
entre las que están basadas en un calentamiento externo
del termistor, y las que se basan en calentarlo mediante el
propio circuito de medida. Están entre estas última
las medidas de caudal, nivel y vacío y el análisis de la composición de gases,
todos ellos son casos en que varía la conductividad
térmica del medio alrededor del termistor, y
también el control automático de volumen y
potencia, la creación de retardos de tiempo y la
supresión de transitorios.
El circuito de la figura (a) es indicado para medir una
temperatura en una margen reducido, por ejemplo la del agua en
automóviles. Consiste en una batería, una
resistencia de ajuste en serie, un termistor y un
microamperímetro. La corriente a través del
circuito varía de forma no lineal con la temperatura
debido a la variación de la resistencia del termistor,
pero la escala del microamperímetro se puede graduar
según convenga.
La (b) es una aplicación de compensación
térmica. Se trata de compensar la sensibilidad no deseada
de un galvanómetro de hilo de cobre a la temperatura. Como
la variación de resistencia del cobre tiene coeficiente
positivo, al añadir en serie un resistor con
variación negativa puede hacerse que el conjunto presente
coeficiente de temperatura casi nulo.
Un control dependiendo de la temperatura se basa en el
circuito de la figura (c). Cuando la temperatura ambiente supera
un cierto valor, se reduce la resistencia de la NTC con lo que
aumenta la corriente y se acciona el relé.
El flujo de un líquido se puede medir con el
circuito de la (d). Un calefactor inmerso en el líquido
libera calor que es transportado por el líquido que fluye,
de manera que se crea una diferencia de temperatura entre el
líquido, aguas arriba y aguas abajo del calefactor, Esta
diferencia de temperaturas depende de forma no lineal, de la
velocidad del líquido, y se puede medir con dos
termistores.
Pueden emplearse las NTC para otras muchas
aplicaciones.
Aunque Rp sigue sin ser lineal, su
variación con la temperatura es menor que antes, por
serlo, el factor que multiplica a d (Rt) / d t. El
coeficiente de temperatura equivalente o sensibilidad
es
Resulta, pues, que se ha perdido sensibilidad a costa de
la linealidad ganada. En la siguiente se ha representado
gráficamente el resultado para el caso Ro = 25
kilo ohmios, B = 4000 K, R = 18500 ohmios.
Otro método analítico para linealizar el
sistema consiste en forzar un punto de inflexión en la
curva resistencia – temperatura que esté justo en el
centro del margen de medida (Tc).
Esa condición se cumple cuando R tiene un valor
dado por
La elección de uno u otro método depende
de la aplicación. En este último caso se obtiene
más linealidad en el centro del margen de medida,
empeorando hacia los extremos, mientras que el otro método
da una mayor linealidad en las proximidades de cada punto de
ajuste.
La resistencia del termistor Esto suministra información a un circuito |
Introducción.
principio físico
Las mediciones de temperatura que utilizan termopares se
basan en el descubrimiento hecho por Seebeck en 1821 de que una
corriente fluye en un circuito continuo de dos alambres
metálicos diferentes, si las conexiones o uniones, se
encuentran a temperaturas distintas.
A y B son los dos metales, y T1 y
T2 son las temperaturas de las uniones. Si
T1 es la unión más fría y la
corriente termoeléctrica influye en la dirección señalada en la figura, el
metal A se designa por costumbre como el punto
termoelectricamente positivo en relación con el metal
B.
En circuitos
eléctricos la corriente depende de la fuerza
electromotriz desarrollada y la resistencia del circuito. Para
lograr mediciones de temperatura exactas, el instrumento de
medición se construye de tal modo que se mida una fem sin
corriente para eliminar los efectos de resistencia del
circuito.
Como se señala en la figura (b), la fem
térmica es una medida de la diferencia de temperatura
entre T2 y T1. En los sistemas de
control, la unión o conexión de referencia
(unión fría) se localiza casi siempre en el
dispositivo de medición de la fem. La unión de
referencia se puede mantener a una temperatura constante, por
ejemplo, loa que se tiene en un baño de hielo o en un
horno con termostato, o bien, se puede sostener a temperatura
ambiente, pero con una compensación eléctrica, de
tal manera que parezca conservarse a una temperatura
constante.
También se pueden utilizar combinaciones en serie
de varios termopares idénticos para proporcionar una
señal de medición de temperatura mayor, o para
promediar la temperatura en varios puntos.
Las uniones frías deben encontrarse a la misma
temperatura, en caso contrario también será
necesario promediarlas.
La gran ventaja de los termopares es que la
determinación de la temperatura se realiza
prácticamente en un punto, donde se haya colocado una de
las uniones. También habría que considerar que la
capacidad calorífica de un termopar puede ser muy
pequeña, con lo que la respuesta a las variaciones de
temperatura sería muy rápida. Como ventaja
importante habría que señalar finalmente que la
salida del sensor es una señal eléctrica producida
por el mismo termopar y por tanto no es necesario alimentarlo con
ninguna corriente exterior, eliminando el error correspondiente
al calentamiento inherente al efecto Joule.
Como inconveniente habría que decir que es necesario
mantener la unión de referencia a una temperatura
constante y conocida pues la incertidumbre en la temperatura de
referencia produce una del mismo orden en la medida.
Las siguientes combinaciones de materiales son las mas
comúnmente usadas para los pares
termoeléctricos:
Platino soldado a una aleación de 90yo de platino
y 107,9 de radio. Se puede
emplear a temperaturas altas hasta 1600 °C y es conveniente
para uso continuo a temperaturas desde 0 hasta 1550 °C. Este
par termoeléctrico fue adoptado por la Conferencia
General de Pesos y Medidas en 1927 como medio para la
definición de la escala internacional de temperaturas,
desde la temperatura de fusión del antimonio hasta la
temperatura de fusión del oro (630.5 – 1063 °C.).
Tiene una fuerza termoeléctrica de unos 10 microvoltios
por grado C y es sumamente estable y reproducible cuando se usa
debidamente. No debe exponerse nunca a atmósferas
reductoras a temperaturas superiores a 500 °C., porque se
deteriora como resultado de la absorción de gases y del
depósito de metales reducidos procedentes de los
óxidos del tubo protector y de los aisladores de cerámica.
Cobre y constantán de Adam (aleación de
57% de cobre y 43 % de Níquel, aproximadamente, con
porcentajes fraccionases de manganeso y de hierro). Este par es
utilizable a temperaturas desde -250 hasta 300 °C, y por
períodos cortos hasta 400 °C. Desde -200 hasta -100
°C., la fuerza termoeléctrica es aproximadamente de 20
microvoltios por grado C., y desde 200 hasta 300 °C. es de
unos 55 microvoltios por grado C. El termoeléctrico de
cobre-constantán es muy usado en las medidas de
laboratorio a bajas temperaturas. No sirve a temperaturas
superiores a 300 °C a causa de la oxidación del
cobre.
Cromel (90 % de níquel y 10 % de cromo) y Alumel
(94% de níquel, 3% de manganeso, 2% de altimínio y
1% de silicio).
Hierro y constantán. Utilizable entre -190 y 870
°C.
El intervalo de temperaturas en que es utilizable un
termopar está limitado en la zonas de bajas temperaturas
por la disminución de su poder
termoeléctrico y en las altas temperaturas por la
posibilidad de que se funda alguno de los conductores que lo
constituyen.
Mediciones de la temperatura
con termopares
La siguiente tabla da la f.e.m.
medida en un montaje en el cual una soldadura se
mantiene a 0°C y la otra a la temperatura indicada en la
tabla.
Mediciones de la temperatura con termopares
La siguiente tabla da la f.e.m. medida en un montaje en
el cual una soldadura se
mantiene a 0°C y la otra a la temperatura indicada en la
tabla.
TÍTULO | AUTOR/ES | EDITORIAL | AÑO | |||||||
Calor y termodinámica | M.K.Zemansky, R.H.Dittman | McGraw-Hill | 1990 | |||||||
Curso de Termodinámica | José Aguilar Peris | Alhambra Universidad | 1992 | |||||||
Datos de Física y | Varios autores | Marfil | 1987 | |||||||
Diccionario de electrónica. | ||||||||||
Fundamentos de Física Moderna | Robert M.Eisberg | Limusa | 1991 | |||||||
Fundamentos de termodinámica | O.Levenspiel | Prentice-Hall | 1997 | |||||||
El panorama inesperado. La naturaleza vista por un | James S. Trefil | Biblioteca Científica Salvat | 1994 | |||||||
Termodinámica | H.B. Callen | A.C. | 1981 | |||||||
TÍTULO DE LA | NÚMERO | MES | AÑO | ARTÍCULO | ||||||
Investigación y Ciencia | ||||||||||
Mundo Científico | 145 | abril | 1994 | Medir la temperatura de la | ||||||
126 | julio-agosto | 1992 | ¿Se puede medir la temperatura | |||||||
Muy Interesante | ||||||||||
Mundo electrónico | Transductores y medidores |
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Autor:
Iván Escalona M.
Ocupación: Estudiante
Materia: Ingeniería Industrial – Instrumentación y Control
Estudios de Preparatoria: Centro Escolar Atoyac
(Incorporado a la U.N.A.M.)
Estudios Universitarios: Unidad Profesional
Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias
sociales y Administrativas (UPIICSA) del Instituto
Politécnico Nacional (I.P.N.)
Ciudad de Origen: México,
Distrito Federal