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Termómetros en la Instrumentación y Control Industrial

Enviado por ivan_escalona



Termómetros en la Instrumentación y Control Industrial
Ingeniería Industrial (UPIICSA)

  1. Termometría
  2. Tipos de Termómetros
  3. <>Pirómetros
  4. <>Detectores de temperatura resistivos (RTD)
  5. <>Termistores NTC PTC .Termómetros de resistencia de silicio
  6. <>Pares termoeléctricos
  7. <>Bibliografía

INTRODUCCIÓN

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.
 

TERMOMETRÍA

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 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.

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 termométrica

Columna de mercurio, alcohol, etc., en un capilar de vidrio

Longitud

Gas a volumen constante

Presión

Gas a presión constante

Volumen

Termómetro de resistencia

Resistencia eléctrica de un metal

Termistor

Resistencia eléctrica de un semiconductor

Par termoeléctrico

F.e.m. termoeléctrica

Pirómetro de radiación total

Ley de Stefan – Boltzmann

Pirómetro de radiación visible

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.

Tipos de Termómetros

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).

Termómetros de líquido

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.

Termómetros de gas

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 volumen constante el volumen del hidrógeno que hay en una ampolla metálica se mantiene constante levantando o bajando un depósito. La altura del mercurio del barómetro se ajusta entonces hasta que toca justo el indicador superior: la diferencia de los niveles (h) indica entonces la presión del gas y, a su través, su temperatura.

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.

Par térmico

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 termométricas para ser utilizadas con un termómetro digital de termopares de laboratorio

Pirómetros

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 al rojo se puede medir mediante un pirómetro de radiación (el instrumento cilíndrico con cables, que vemos a la derecha. Se enfoca la radiación térmica en un par térmico, donde se genera una corriente eléctrica que se registra en un amperímetro graduado para medir en él directamente las temperaturas.


2.- PIRÓMETROS DE RADIACIÓN

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.

2.2.1. TIPO ESPEJO

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 radiación

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.

2.2.2. TIPO LENTE

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 combustión, nitruración, carbo-nitruración, amoníaco disociado, baños de sales de temple y cementación

Nimonic 75

76

20

4

0.1

 

 

igual al anterior, no fragilizándose por el hidrógeno a alta temperatura

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 sales fundidas

Material

Composición

Temperatura máxima (°C)

Observaciones

Cuarzo

sílice fundida

1260

resistencia excelente al choque térmico

Firebick

 

1450

protección secundaria para tubos Sillramic

Sílice

sílice

1600

en crisoles para vidrio

Sillramic

sílice-aluminio

1650

resistencia al choque térmico 
resistencia mecánica débil

Mullite

sílice-aluminio

1650

protección secundaria de choque mecánico y térmico. De mayor diámetro que el anterior

aluminio de alta pureza

99 % aluminio puro

1870

resistencia al choque mecánico y térmico

óxido de berilio

óxido de berilio

2200

resistencia excelente al choque térmico 
resistencia débil al choque mecánico

Tubos metálicos cerámicos

cromo-aluminio

1425

resistencia excelente a los sulfuros 
buena resistencia al choque térmico y mecánico

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.

2.3.- USOS

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 de radiación visible

3.- PIRÓMETROS ÓPTICOS

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:

JC-5 exp [C2/  T]

La modificación de Planck de esta ley

JC1 -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.

3.5 GRADUACIÓN

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.

3.6 OTROS ERRORES

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 para estos dispositivos es el de la figura; la línea recta en diagonal sobre el resistor indica que varía de forma intrínseca lineal, y la anotación junto a dicha línea denota que la variación es debida a la temperatura y tiene coeficiente positivo.

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 termómetros de resistencia para alambre de platino, cobre y níquel, en donde R1 = resistencia a la temperatura t y Ro = resistencia a 0 °C

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

  1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible.
  2. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada, mayor será la variación por grado; mayor sensibilidad.
  3. Relación lineal resistencia-temperatura.
  4. 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

A) PLATINO

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 platino

B) NÍQUEL

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 de níquel

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.

C) COBRE

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 temperatura
 C

Intervalo útil de temperatura, C

Diámetro mínimo de hilo
mm

Coste relativo

Resistencia sonda a 0 °C
ohmios

Precisión C

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 de resistencia

D) TUNGSTENO

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

Métodos de medida

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 potenciométrico de medida de la resistencia Rs de un termómetro de Pt

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.

Montaje de dos hilos

La sonda de resistencia se conecta a uno de los brazos del puente. Es el montaje más sencillo, pero presenta el inconveniente de que la resistencia de los hilos a y b de conexión de la sonda al puente varía cuando cambia la temperatura y esta variación falsea  por los tanto la indicación de temperatura; aunque estos hilos sean de baja resistencia y esta sea conocida, las longitudes que puede haber en entre la sonda y el panel donde esté el instrumento receptor, añaden una gran resistencia al brazo de la sonda.

Montaje de tres hilos

Es el más utilizado en la práctica. En este circuito la sonda está conectada mediante tres hilos al puente. De este modo, la medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura ya que esta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente, siendo la única condición que la resistencia de los hilos a y b sea exactamente la misma.

Montaje de cuatro hilos

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

Modelos

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.

TIPOS Y APLICACIONES

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 termistores NTC

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 modelo)

Resistencia a 25 °C

0.5 a 100 M (± 5% ó ± 10%)
1 k a 10 M es lo habitual

B

2000 K a 5500 K

Temperatura máxima

> 125 °C
300 °C habitual en régimen permanente
600 °C habitual en régimen intermitente

Coeficiente de disipación, 

1 mW/K en aire en reposo
8 mW/K en aceite

Constante de tiempo térmica

1 ms a 22 s

Potencia disipable

1 mW a 1 W

Características generales de los modelos de NTC más frecuentes

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 colocado sobre el abdomen del niño varía rápidamente con la temperatura. 

    Esto suministra información a un circuito eléctrico que controla la temperatura de la incubadora, compensando así el irregular sistema de control de la temperatura del niño.

PARES TERMOELÉCTRICOS

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.

Materiales usados

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.

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1981

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¿Se puede medir la temperatura terrestre?

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Mundo electrónico

     

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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


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