INTRODUCCIÓN La temperatura constituye una magnitud escalar que está relacionada con la energía interna; conocida como energía cinética de un sistema termodinámico; además además hace referencia a las nociones comunes comunes de de caliente, tibio, caliente, tibio, frío. frío. Los Los cambios de temperatura producen en la materia diversos efectos. Siendo los más notables los cambios de volumen (refiriéndose también a dilatación térmica), los de color y los cambios de estado (sólido, líquido y gaseoso); pero también se producen otros efectos menos evidentes, como el cambio en la conductividad eléctrica. Por esta razón podemos considerar que cualquier porción de materia es en este sentido un termómetro, y cualquier cambio que se produzca debido a una modificación de su temperatura nos informa sobre ella. Partiendo de este principio, el ingenio humano ha visto la necesidad de valerse de una forma confiable de determinar esta magnitud escalar sea considerando al mismo cuerpo “una sustancia termométrica” o por medio
de algún tipo de instrumento. En vista de que la temperatura de un cuerpo produce diversas manifestaciones en él que guardan estrecha relación con el valor de esta se establece que determinando las magnitudes de estas manifestaciones con un instrumento de medición podemos conocer de manera indirecta el valor de la temperatura del cuerpo. Este instrumento es conocido como termómetro. Los termómetros deben estar en la zona de medición el tiempo necesario para que alcancen el valor de la temperatura a medir y su influencia en el medio debe ser lo suficientemente pequeña para que no cambien de manera notable esta temperatura. Estos instrumentos miden la temperatura en forma muy simple y eficiente, dependiendo del contexto y las circunstancias en que se necesite. Es muy distinto el procedimiento para medir la temperatura de un paciente para ver si tiene fiebre, que la de un horno de una fundición para acero. También es muy distinto el procedimiento para medir la temperatura de nuestro ambiente, que para medir la temperatura del Sol. Debido a que los efectos producidos por los cambios de temperatura en la materia dan origen a distintos tipos de termómetros. Podemos hablar de termómetros de dilatación, de mercurio, termocuplas, de resistencia eléctrica, de termistores, bimetálicos, pirómetros de radiación, infrarrojos, entre otros. Estos se pueden considerar los termómetros más comunes, para medir temperaturas distribuidas en distintos rangos, los mismos que permiten clasificar la medición de temperaturas en tres grupos; la medición de Bajas Temperaturas que van desde (1-100) K, es decir se trata de temperaturas próximas al cero absoluto con las que básicamente se utilizan los termómetros magnéticos, basados en la variación con la temperatura de la susceptibilidad magnética de sales paramagnéticas. Por otra parte las Medianas Temperaturas están ubicadas en el rango (1K
en base al fenómeno Seebeck; o los de vidrio que se basan en la propiedad que tienen los líquidos en dilatarse al aumentar la temperatura. Y finalmente las Altas temperaturas, que son aquellas mayores a 1300K. con este tipo de temperaturas extremas se usan termómetros sin contacto los cuales determinan alguna característica del cuerpo que cambie con la temperatura sin hacer contacto con él; en este grupo encontramos pirómetros de radiación visible, pirómetros de absorción-emisión, termómetros de radiación infrarroja. El avance tecnológico y la capacidad inventiva del ser humano permiten que procesos antes considerados difíciles sean ahora de lo más simples, la elaboración de instrumentos que permitan la medición de la temperatura de los cuerpos facilitó sobremanera el desenvolvimiento del hombre en el campo industrial, científico, y hasta médico. Y al tratarse de invenciones humanas los instrumentos de medición de temperatura potencian una mejor condición de vida para el hombre.
LAS TÉCNICAS PARA MEDIR TEMPERATURAS
TEMPERATURA: La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Además es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio, frío que puede ser medida, específicamente, con un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía cinética", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor.
ESCALAS DE TEMPERATURA Escala Celsius La escala Celsius fue inventada en 1742 por el astrónomo sueco Andrés Celsius. Esta escala divide el rango entre las temperaturas de congelación y de ebullición del agua en 100 partes iguales. Las temperaturas en la escala Celsius son conocidas como grados Celsius (ºC). Escala Fahrenheit La escala Fahrenheit fue establecida por el físico holandés-alemán Gabriel Daniel Fahrenheit, en 1724. Aun cuando muchos países están usando ya la escala Celsius, la escala Fahrenheit es ampliamente usada en los Estados Unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de fusión y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (ºF). Escala de Kelvin La escala de Kelvin lleva el nombre de William Thompson Kelvin, un físico británico que la diseñó en 1848. Prolonga la escala Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por una ausencia completa de energía calórica. Las temperaturas en esta escala son llamadas Kelvins (K). Escala Rankine Se denomina Rankine (símbolo R) a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Ran. En la escala Rankine, el punto de congelación del agua equivale a 492 °R, y su punto de ebullición a 672 °R. kine en 1859.
UNIDAD DE MEDIDA DE LA TEMPERATURA:
En el caso de la escala Centígrado la unidad de medida corresponde a 1/100 entre el punto triple del agua y la temperatura de ebullición del agua a 1 atmósfera de presión. Para la escala Fahrenheit su unidad de medida se define como 5/9 de 1ºC. Antiguamente el 100ºF correspondía a la temperatura media del cuerpo humano (reflejo de la formación médica de su creador). Así alguien tiene fiebre cuando está sobre 100ºF! En lo recién visto se constata de que la escala Fahrenheit tiene puntos de referencia pocos precisos, a diferencia de la escala Centígrado. Esto hace que actualmente la escala Fahrenheit tenga su referencia real en la Centígrado. Para pasar de grados Centígrado a grados Fahrenheit, usar la siguiente conversión: ºF = 9/5·ºC + 32º Para pasar de grados Fahrenheit a grados Centígrado, usar la siguiente conversión: ºC = (ºF - 32º)·5/9
TERMOMETRÍA Bajas Temperaturas Normalmente a las bajas temperaturas se las llama "temperaturas criogénicas". Generalmente son las que se encuentran por debajo de la temperatura de ebullición del aire líquido (cerca de 80 K). De acuerdo con las recomendaciones aprobadas por la XIII Conferencia del Instituto Internacional del Frío (1971), deben denominarse a las temperaturas inferiores a los 120 K.
Obtención de bajas temperaturas
Para alcanzar y mantener bajas temperaturas, por lo general, se utilizan gases licuados (agentes frigoríficos). En un vaso de Dewar con gas licuado que se evapora a la presión atmosférica, se mantiene bastante bien la temperatura de ebullición constante del agente refrigerante. En la práctica se utilizan los siguientes agentes refrigerantes: aire (temperatura de ebullición, aproximadamente 80 K), nitrógeno (t.e. igual a 77.4 K), neón (t.e. 27.1 K), Para la obtención de bajas temperaturas se emplean varios métodos. Por el método de desimanación adiabática de las sales paramagnéticas, se alcanzan temperaturas de aproximadamente 10 -3 K. Por el mismo método utilizando el paramagnetismo nuclear, en un sistema de núcleos atómicos se alcanzan temperaturas de aproximadamente 10 -6 K.
Centrándonos en el helio, diremos que a la presión atmosférica, permanece líquido hasta la temperatura del cero absoluto. No obstante al evacuar los vapores del helio 4 líquido (isótopo natural del helio), por lo general, no se consiguen temperaturas sensiblemente inferiores a 1 K. Mediante la evacuación de los vapores del isótopo helio 3 se consiguen temperaturas de aproximadamente 0.3 K. Las temperaturas por debajo de 0.3 K se denominan superbajas. Para alcanzar temperaturas del orden de varios mK, se aplica un método cómodo, que consiste en la disolución de helio 3 líquido en helio4 líquido. Para estos fines se utilizan refrigeradores de disolución.
Medición de bajas temperaturas
Termómetros Magnéticos A temperaturas próximas al cero absoluto la mayor parte de los métodos mencionados (termómetros de resistencia, pares termoeléctricos, pirómetros de radiación...) resultan ineficaces. En su lugar se utilizan los termómetros magnéticos, basados en la variación con la temperatura de la susceptibilidad magnética “c” de las sales paramagnéticas. 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 paramagnética correspondiente, lo cual se realiza midiendo la autoinducción de un arrollamiento que rodea la muestra. El método es particularmente útil en los sistemas que utilizan sales paramagnéticas como refrigerantes para obtención de bajas temperaturas. No obstante, esta ley deja de ser válida por debajo de la temperatura de Curie. Por debajo de este punto se define una temperatura magnética T*, a partir de la propia ley de Curie (admitiendo que siguiera cumpliéndose). Así, si la susceptibilidad es c a una temperatura T por encima del punto de Curie y c*por debajo del mismo a la temperatura magnética T*, se cumplirá T* = (c/c*) T, temperatura que puede reducirse al valor Kelvin correspondiente.
Termómetro Acústico Puede alcanzar una reproducibilidad de 0.001 K a 2 K y 0.005 K a 20 K. El termómetro acústico se basa en la ley de la variación de la velocidad del sonido en el seno de un gas en función de la temperatura. Para un gas tal como el helio, a baja presión, la determinación de la temperatura sólo depende de la medida experimental de la velocidad del sonido, suponiendo conocidos los demás parámetros. El termómetro acústico de helio se emplea desde 2 a 20 K.
Termómetro de resistencia Los termómetros de resistencia son transductores de temperatura, los cuales se basan en la dependencia de la resistencia eléctrica de un material con la temperatura, es decir, son capaces de transformar una variación de temperatura en una variación de resistencia eléctrica. ideal para realizar mediciones donde se requiere una alta precisión y una documentación online. El termómetro de resistencia en un rango de -200°C a +850°C hasta una temperatura de +1760°C con una resolución de 0,1°C en todo el rango de medición. Los materiales más usados como termómetros a resistencia son el platino, el cobre y el tungsteno. El platino tiene la particularidad de tener una relación resistencia-temperatura sumamente lineal. El platino tiene las ventajas de:
Ser químicamente inerte. Tiene un elevado punto de fusión (2041,4 K). Como ya hemos dicho, tiene una alta linealidad. Puede ser obtenido con un alto grado de pureza.
APLICACIONES La temperatura desempeña un papel importante para determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos y del medio ambiente. Así, las aves y los mamíferos necesitan un rango muy limitado de temperatura corporal para poder sobrevivir, y tienen que estar protegidos de temperaturas extremas. Las especies acuáticas sólo pueden existir dentro de un estrecho rango de temperaturas del agua, diferente según las especies. Los cambios de temperatura también afectan de forma importante a las propiedades de todos los materiales. A temperaturas árticas, por ejemplo, el acero se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente, y los líquidos se solidifican o se hacen muy viscosos, ofreciendo una elevada resistencia por rozamiento al flujo. A temperaturas próximas al cero absoluto, muchos materiales presentan características sorprendentemente diferentes. A temperaturas elevadas, los materiales sólidos se licúan o se convierten en gases; los compuestos químicos se separan en sus componentes. La utilización de bajas temperaturas desempeña un papel muy importante. A través de ello se detectan un gran número de fenómenos como superfluidez, superconductividad, etc., además se emplean bajas temperaturas en estudios de resonancia magnética, para determinar propiedades de semiconductores, etc.
Una de las principales aplicaciones de bajas temperaturas es la técnica en la separación de los gases. También se aplican bajas temperaturas en la electrónica y radiotécnica para amortiguar los ruidos de los aparatos. Además se utiliza la superconductividad, para crear campos magnéticos fuertes, necesarios para los aceleradores de partículas. En el campo industrial son varias las aplicaciones que tienen la medición de temperaturas, la mayoría de procesos necesitan un control de las mismas, por ejemplo:
Inspección de muestras al azar en productos alimentarios Control de la temperatura del transporte de los productos alimentarios Medición de la temperatura en el centro del flujo de salida de gases en chimeneas / conductos de salida de gases La medición de diferentes temperaturas del aire Medición en superficie para comprobar la temperatura de precalentamiento durante la soldadura Medición por inmersión en disoluciones de productos químicos para mantener las temperaturas durante los procesos de grabado Mediciones en superficie en cojinetes y embragues en ingeniería mecánica M EDI AS TEM PERATURAS
Termómetro por dil ataci ón de líqui do Los termómetros de dilatación de líquidos, se basan en la ley de expansión volumétrica de un líquido con la temperatura, en un recipiente cerrado. Vt = V0 (1 + b ∆t) Los tipos de termómetros pueden variar de acuerdo al tipo de recipiente.
a) Termómetros de dil atación de líqui dos en r ecipientes de vidr io
Está conformado por un recipiente, cuyo tamaño depende de la sensibilidad deseada y un tubo capilar de sección lo más uniforme posible, cerrado en la parte superior. El recipiente y parte del capilar se llenan con el líquido. La parte superior del capilar, posee un alargamiento que protege al termómetro en caso de que la temperatura sobrepase su límite máximo. Luego de la calibración, la pared del capilar es graduada en grados o fracciones de este. La medición de temperatura se realiza leyendo la escala en el tope de la columna de líquido. Los líquidos más usados son: mercurio, tolueno, alcohol y acetona.
Por su fragilidad y por ser imposible registrar su indicación o transmitirla adistancia, el uso de estos termómetros es más común en laboratorios.
b) Termómetro de dil ataci ón de líqui do en r ecipiente metáli co.
En este caso, el líquido llena todo el recipiente y con un aumento de la temperatura se dilata, deformando un elemento extensible (sensor volumétrico). Las características de los elementos básicos de este tipo de termómetros son: Bulbo- sus dimensiones varían de acuerdo con el tipo de líquido y principalmente con la sensibilidad deseada. Capilar- sus dimensiones son variables, aunque el diámetro interno debe ser lo menor posible, a fin de evitar la influencia de la temperatura ambiente, aunque no debe ofrecer resistencia al pasaje del líquido en expansión. Elemento de medición- el elemento utilizado es el Tubo de Bourdon, pudiendo ser capilar, espiral y capilar o helicoidal y capilar Los materiales más utilizados son bronce fosforoso, cobre-berilio, acero inoxidable y acero al carbono.
Termómetro a pr esión de gas Es físicamente idéntico al termómetro de dilatación de líquidos, consiste enun bulbo, un elemento de medida y un capilar que los une. El volumen del conjunto es constante y llenado con gas a presión. Con variaciones de temperatura, la presión del gas varía aproximadamente según la ley de los gases perfectos, y el elemento de medición opera como medidor de presión. La ley de Gay Lussac expresa matemáticamente este concepto. P1/T1 = P2/T2 =..........= Pn/Tn Se utilizan gases como el helio, hidrógeno, nitrógeno y dióxido de carbono. El gas más utilizado es el nitrógeno, presurizado entre 20 y 50 atmósferas. El rango de medida va desde – 100 a 600 ºC.
Term ómetro a pr esión de vapor Su funcionamiento se basa en la Ley de Dalton: “ La presión de un vapor saturado, depende solamente de su temperatura y no de su volumen”. Por lo tanto, para cualquier variación de temperatura, habrá una variación de la tensión del gas licuado en el bulbo del termómetro y en consecuencia, una variación de presión dentro del capilar.
Termómetros de dil atación de sólidos (Term ómetr os bimetálicos) Su principio de funcionamiento, se basa en el fenómeno de dilatación lineal de los metales con la temperatura. Lt = L0 (1 + a ∆t) Donde: L0 = Long. Del metal a la temperatura de referencia Lt = longitud del metal a la temperatura t El termómetro bimetálico está compuesto de dos láminas metálicas, con coeficientes de dilataciones diferentes, superpuestas formando una sola pieza. Al variar la temperatura del conjunto, se produce una deformación proporcional a la temperatura. En la práctica, la lámina bimetálica esta enrollada en forma de espiral ohélice, con lo que aumenta bastante la sensibilidad. El termómetro más utilizado es el de lámina helicoidal El rango de trabajo de los termómetros bimetálicos es, aproximadamente entre – 50 y 800 ºC y se pueden conseguir exactitudes del orden del 1%.
M edici ón de temperatur a con termocupl a Efecto termoelé ctr ico Cuando se conectan dos metales distintos, y sus uniones son mantenidas a distintas temperaturas, cuatro fenómenos ocurren simultáneamente: el efectoSeebek, el efecto Peltier, el efecto Thompson y el efecto Volta.
Efecto Seebek
En un circuito cerrado, formado por dos conductores diferentes A y B hay circulación de corriente cuando existe una diferencia de temperaturas entre sus uniones. A esto se lo conoce como el efecto Seebek. Este hecho permite utilizar un par termoeléctrico como un termómetro. Este efecto es debido a que los electrones libres de un metal, difieren de un conductor a otro. Cuando dos conductores diferentes son unidos y las junturas se mantienen a temperaturas diferentes, la difusión de electrones en las junturas se produce a ritmos diferentes.
Efecto Peltier
Dado un par termoeléctrico, con ambas junturas a la misma temperatura, si mediante una batería exterior se genera una corriente en el termopar,
la temperatura de las junturas varía en una cantidad que no depende exclusivamente del efecto Joule. Esta variación adicional de temperatura es denominada efecto Peltier.
Efecto Thompson La conducción de calor, a lo largo de los dos conductores metálicos de un par termoeléctrico, por los que no circula corriente, origina una distribución uniforme de temperatura en cada conductor. Cuando circula corriente, se modifica la distribución de temperatura, en una cantidad no enteramente debida al efecto Joule. Esta variación adicional en la distribución de temperatura se denomina efecto Thompson. Este efecto, depende del metal del conductor y de la temperatura media de una pequeña región considerada. Efecto Volta La experiencia de Peltier, puede ser explicada por medio del efecto Volta, cuyo enunciado dice: “Cuando dos metales en contacto, se encuentran en equilibrio térmico y eléctrico puede existir entre ellos una diferencia de potencial del orden de volts” Esta diferencia de potencial es dependiente de la temperatura y no puede ser medida en forma directa.
Tersmitores
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Son resistores térmicamente sensibles existen dos tipos según la variación de la resistencia o el coeficiente de temperatura.
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Son fabricados con materiales de transición y operan en un rango de -200 a 1000ºC
MEDICIÒN DE ALTAS TEMPERATURAS Descripción de Altas Temperaturas: Los cambios de temperatura producen en la materia diversos efectos. Entre los más notables están los cambios de volumen (en este caso hablamos de dilatación térmica), los de color y los cambios de estado (sólido, líquido, gaseoso o plasma); pero también se producen otros efectos menos evidentes, como el cambio en la conductividad eléctrica. Cualquier porción de materia es en este sentido un termómetro, y cualquier cambio que se produzca debido a una modificación de su temperatura nos informa de ella. Por ejemplo, los cambios de tamaño de una varilla metálica, de un vidrio o del aire permiten medir la temperatura. Al material que se emplea para medir la temperatura se denomina material termométrico. Cuando se trata de altas temperaturas, hablamos de temperaturas que superan los 1300(K). Son cuerpos que han sido sometidos al calor por un largo intervalo de tiempo; de esta forma multitud de las propiedades fisicoquímicas de los cuerpos, materiales o las sustancias bajo esas condiciones de temperatura extrema sufren, además de los cambios inicialmente mencionados, cambios de Coloración e Irradiación de Energía. Y bajo esas propiedades particulares se considera a los cuerpos con temperaturas mayores a 1300(K) como sustancias Termométricas y se analiza los valores de su temperatura en base a esta idea. Para la Medición de estas temperaturas se han desarrollado tipos particular de termómetros que no requieren del contacto directo con el cuerpo, material o sustancia en cuestión.
Termómetros sin contacto: Estos termómetros determinan la temperatura del cuerpo a distancia, y se basan en la determinación de alguna característica del cuerpo que cambie con la temperatura sin hacer contacto con él, aquellos que se usan para medir temperaturas altas y medianamente altas (unos 600 grados celsius o mas) se denominan pirómetros. En general son aparatos ópticos más complejos y su uso es mas especializado Las características más comunes utilizadas para la determinación de la temperatura con estos termómetros son:
Medición de la radiación electromagnética visible emitida por el cuerpo caliente (pirómetros de radiación visible). Medición de la absorción de radiaciones electromagnéticas por el cuerpo caliente (pirómetros de absorción-emisión). Medición de la radiación infrarroja emitida por el cuerpo caliente (termómetros de radiación infrarroja)
Pirómetros de Radiación (termómetros de radiación) Un termómetro de radiación es un instrumento capaz de medir la temperatura de un cuerpo a partir de la radiación que emite. Para ello, se basa en la teoría cuántica de la radiación de cuerpo negro. La característica principal de estos instrumentos es que no necesitan estar en contacto directo con la fuente de calor u objeto incandescente cuya temperatura se desea medir. Por ello, son útiles para medir temperaturas altas, objetos en movimiento por ejemplo, la temperatura de barras de acero en un tren de laminar, y medir temperatura en lugares de difícil acceso como cámaras de vacío o de alta presión y a través de objetos semitransparentes. Además, presentan un tiempo de respuesta breve (pocos milisegundos) y una alta sensibilidad diferencial. Sin embargo, estos instrumentos tienen un costo relativamente alto (de adquisión, instalación y mantenimiento), y su empleo requiere cierto nivel de experiencia y conocimientos. Existen termómetros de radiación útiles para obtener una indicación visual de la temperatura del objetivo, y otros que permiten transmitir tal información para fines del control de temperatura de procesos industriales. A continuación detallamos parte de la teoría de funcionamiento de los pirómetros de radiación.
1.-Teoría de Funcionamiento de Pirómetros de radiación Todos los cuerpos emiten un tipo de radiación conocida como radiación térmica, que depende en gran medida de su temperatura. La mayor parte de esta radiación (aproximadamente el 90%) es invisible al ojo humano, debido a que se encuentra en la zona infrarroja del espectro. A su vez, la intensidad de la radiación emitida por el cuerpo depende de su forma y composición. El funcionamiento de estos pirómetros se fundamenta en la emisividad.
1.1.-Emisividad Es la relación entre la radiación de la superficie del cuerpo con respecto a la radiación de un cuerpo negro que se encuentra a la misma temperatura. A esta relación también se la denomina coeficiente de emisión. Si se tiene un bajo coeficiente de emisión la cantidad de energía reflejada será alta y al contrario con un alto coeficiente de emisión la energía reflejada será baja. Cada cuerpo o sustancia tiene un valor diferente de emisividad, y estos valores de emisividad se encuentran en diferentes tablas con su valor respectivo. Cuerpo negro
Es aquel cuerpo que absorbe toda la radiación que incide en él y no refleja ninguna, posee una emisividad igual a 1, emite la máxima energía radiante y son conocidos como cuerpos ideales.
· No reflejan nada de energía que le llega. · Emite energía y en equilibrio será iguala a la que le llega. Cuerpos opacos
Los cuerpos cuyo coeficiente de emisividad es menor a uno. Son cuerpos que no trasmiten casi nada de la radiación en ocasiones no se lo atraviesa, por ejemplo: Un vidrio común es opaco al infrarrojo. Cuerpo gris
Un cuerpo gris es aquel que tiene una misma emisividad para toda longitud de onda modulada con respecto del cuerpo negro. Un cuerpo no gris tiene variaciones de la emisividad con la longitud de onda. Ejemplo el aluminio.
1.2.-Ley de Stefan –Boltzman Todo cuerpo a cualquier temperatura por encima del cero absoluto, radia energía térmica como producto de su agitamiento atómico asociada con su temperatura. Relaciona la intensidad total irradiada con la temperatura del objetivo (o cuerpo incandescente) integrando en todo el espectro Esta ley dice que: La intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de su temperatura absoluta del mismo.
Donde:
E: Energía total b: Constante de Stefan –Boltzman ⁄ ò ⁄ T: Temperatura absoluta La teoría dice, entonces, que puede obtenerse la temperatura de un cuerpo caliente midiendo la energía total que emiten las longitudes de onda con la onda de frecuencia modulada que se produce al emitir energía radiante. Sin embargo es posible que la medición esté influida por la radiación de otros cuerpos adyacentes y también por el hecho de que toda emisión pasa a través de medios que pueden modificar la medición. Para obtener una medida precisa de la temperatura es necesario ajustar las observaciones y calibrar de manera correcta el instrumento usado. Por otra parte para que una medición esté ajustada correctamente, es necesario que el cuerpo incandescente tenga un cierto tamaño mínimo a una distancia determinada, para no obtener un valor de medición distinto al real.
2.-Operación del Pirómetro de Radiación El sistema óptico del pirómetro de radiación recolecta parte de la radiación proveniente de la superficie caliente del cuerpo y la dirige al detector, el cual convierte en una señal eléctrica. El circuito electrónico en el interior del
pirómetro de radiación convierte la señal eléctrica a una correspondiente temperatura de la superficie del cuerpo caliente.
3.- Tipos de pirómetros de radiación Los tipos pirómetros son de acuerdo a su principio de medición y estos son:
Pirómetros de radiación parcial o pirómetros ópticos Pirómetros de radiación total
Pirómetros de radiación parcial o pirómetros ópticos Son instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que el cuerpo que lo emite. La idea es medir la intensidad de la radiación que proviene del objetivo, para un intervalo muy angosto de longitudes de onda.
Se basa en el hecho de comprobar visualmente de la luminosidad del cuerpo radiante con el filamento de una lámpara incandescente. Para ello se superponen ambas ondas luminosas (la del cuerpo caliente y la de la lámpara incandescente), se varía y regula la corriente eléctrica de la lámpara hasta que deje de ser apreciable a la vista humana. La variación de la corriente nos da un valor de la temperatura absoluta, pero hay que calibrar la luminosidad de la lámpara previamente por medio de un
reóstato exterior (es un resistor diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito). Los pirómetros ópticos se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos de corriente variable ó constante en la lámpara, con variación del brillo de la imagen de la fuente.
1.-Principio de funcionamiento de los pirómetros ópticos
Estos pirómetros tienen una lámpara incandescente, generalmente de tungsteno, alimentada por una fuente que regula su luminosidad; un sistema óptico encargado de superponer la luz de la lámpara y la del objetivo para que puedan ser vistos simultáneamente; un filtro rojo que deja pasar la luz de λ >
650 [nm] y que junto con el ojo humano, proporcionan el intervalo de longitud de onda necesario; y un filtro de absorción para temperaturas sobre 1300ºC para alargar la vida útil del filamento de tungsteno. Este es el esquema de un pirómetro óptico.
Para tomar una medición, se observa a través del ocular (9) y se ajusta manualmente, al menos en primera instancia, la intensidad de la lámpara hasta que ésta sea indistinguible de la radiación del objetivo. De esta forma, la corriente hacia el filamento es traducida a una temperatura de brillo TB. Debido a que el filamento no es un cuerpo negro ideal, la temperatura del objetivo, T ,
puede obtenerse con algunas aproximaciones, en las cuales debe considerarse la emisividad del material y la transmisión del sistema óptico completo. Para prescindir de la opinión subjetiva del ojo humano, se emplean mecanismos de control automático para realizar la medición, usando un tubo fotomultiplicador (detector óptico de vacío que aprovecha el efecto de emisión secundaria de electrones para responder a niveles muy bajos de iluminación, manteniendo un nivel de ruido aceptable).
1.-Clasificación de los pirómetros ópticos 1.1.-Pirómetros ópticos manuales: Se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del cuerpo caliente enfocado. Puede ser de dos tipos: De corriente variable en la lámpara y de corriente constante en la lámpara de variación del brillo de la imagen de la fuente.
1.2.-Pirómetros ópticos automáticos: Consisten en un disco rotativo que modula desfasadas las radiaciones del objeto y de una lámpara de referencia incandescente que incide en un foto tubo multiplicador, este envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que convenientemente accionada modifica la corriente de alimentación de la lámpara de referencia hasta que coincida en brillo la radiación del cuerpo caliente y la de la lámpara de referencia incandescente. En este momento, la intensidad de corriente que pasa por la lámpara está en función de la temperatura. En algunos modelos, el acondicionamiento de señal se realiza con un microprocesador permitiendo alcanzar una precisión de ±0,5% en la lectura. El pirómetro dirigido sobre una superficie incandescente no proporciona una temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra.
Pirómetros de radiación total Es un instrumento que mide la temperatura captando toda o una gran parte de radiación emitida por el cuerpo caliente. El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser un lente o un espejo cóncavo de pyrex, sílice fundida o fluoruro de calcio. Determinan la temperatura de una superficie en base a la ley de Stefan-Boltzman.
1.-Características de los pirómetros radiación total · Estos pirómetros son de tipo térmico. · La energía radiante que reciben son considerables y generan una tensión en milivoltios. · La variación de la temperatura de la caja del pirómetro son compensadas por una resistencia montada en paralelo con la termopila.
Pirómetros de absorción-emisión Se utilizan para determinar la temperatura de gases. Estos pirómetros se basan en el hecho de que los gases pueden absorber en mayor o menor medida las radiaciones electromagnéticas de ciertas longitudes en dependencia de su temperatura. Para la medición, el pirómetro emite un haz de radiaciones electromagnéticas calibradas que se hacen pasar a través del gas, luego se mide la intensidad y se
compara con la original, las pérdidas de radiación permiten obtener la temperatura del gas.
Pirómetros de Infrarrojo Todos los cuerpos en dependencia de la temperatura emiten radiaciones electromagnéticas el exterior, cuando la temperatura llega a determinado valor medianamente alto (aproximadamente a los 450ºC) esta emisión comienza a hacerse visible como roja (zona visible del espectro), y si nos acercamos al cuerpo caliente en estas condiciones sentiremos en la piel la radiación como calor, aunque no tengamos contacto con él. Para valores de calentamiento algo menores sigue presente la radiación, y aunque no podamos verla como emisión de luz roja, aun podemos sentirla en la piel si nos acercamos lo suficiente. Estas radiaciones no visibles se llaman radiaciones infrarrojas (por debajo del rojo). Los termómetros infrarrojos pueden detectar las radiaciones no visibles y convertirlas a un valor de temperatura en una escala o en una pantalla digital utilizando captadores muy sensibles que pueden determinar las radiaciones de cuerpos. Son aparatos electrónicos bastante complejos.
También se les suele denominar termómetros láser si éste se utiliza para ayudar en la medición marcando con el láser el punto exacto donde se va a tomar la temperatura. También se les denomina termómetros sin contacto haciendo referencia a la capacidad del dispositivo para medir la temperatura a distancia y sin necesidad de tocar el objeto físicamente. Al conocer la cantidad de energía infrarroja emitida por el objeto y su emisividad, la temperatura del objeto puede ser determinada.
1.-Características de los pirómetros infrarrojos Normalmente el aparato consta de una lente que permite captar la emisividad infrarroja del objeto. La lente capta la cantidad de energía infrarroja que emite el objeto y la pasa a un complejo sistema que traduce la energía captada en señal eléctrica, la cual se traduce numéricamente en temperatura en la pantalla del termómetro. Si el termómetro es de una mínima calidad, el aparato compensa con la temperatura ambiente la cantidad de energía infrarroja captada para evitar errores en las mediciones. El sistema de la medición de temperatura utilizando termómetros infrarrojos es cada vez más utilizado, no sólo por su gran fiabilidad sino también por su rapidez (la temperatura se obtiene en segundos) y la gran facilidad de uso, ya que permite la medición de temperatura a distancia e incluso a muchos metros de donde se encuentra el objeto, o de objetos en movimiento.
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