Principios Fundamentales de la Medición de Temperatura

Diversas propiedades físicas varían con la temperatura, entre ellas:

• La longitud de una barra.
• El volumen de un líquido.
• La resistencia eléctrica de un alambre.
• El color del filamento de una lámpara.

Todos estos cambios son utilizados en la construcción de distintos tipos de medidores de temperatura.

Terminología Clave en Medición Térmica

Termometría: Es la medición de temperaturas bajas y medianas.

Pirometría: Es la medición de temperaturas elevadas.

Escalas de Temperatura Comunes

Las escalas usadas generalmente en la medición de temperatura son:

• La escala Celsius o grado Celsius (°C).
• La escala Fahrenheit (°F).

Definición de Escalas Termométricas

Escala Celsius (°C)

La escala Celsius (anteriormente Centígrada) asigna 0 °C al punto de congelamiento del agua y 100 °C a su punto de ebullición a presión atmosférica estándar.

Escala Fahrenheit (°F)

La escala Fahrenheit asigna 0 °F a la temperatura más baja lograda con una mezcla de una determinada sal y hielo, 32 °F al punto de congelamiento del agua y 212 °F a su punto de ebullición.

Termómetros Basados en la Dilatación de Fluidos

Termómetro de Vidrio

El termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio que contiene un fluido, por ejemplo, mercurio. Al calentarse, el fluido se expande y asciende por un tubo capilar graduado.

Márgenes de Trabajo de Fluidos Comunes:

• Mercurio: -35 °C hasta +280 °C
• Mercurio (tubo capilar lleno de gas): -35 °C hasta +450 °C
• Pentano: -200 °C hasta +20 °C
• Alcohol: -110 °C hasta +50 °C
• Tolueno: -70 °C hasta +100 °C

Componentes Clave de Termómetros de Sistema Lleno

La función para cada componente es la siguiente:

• a) Bulbo: Corresponde a la parte sensible del sistema, es decir, aquella que está en contacto directo con el medio cuya temperatura se mide.
• b) Elemento de Presión: Puede ser un tubo de Bourdon, espiral o helicoide, que traduce el cambio de presión/volumen del fluido en un movimiento mecánico.
• c) Capilar: Es un tubo metálico de diámetro interior muy pequeño que une el bulbo con el elemento de presión. Este tubo capilar (comúnmente de 1/8 de pulgada de diámetro exterior) se protege generalmente con una envoltura metálica flexible o plástica.

Termómetro de Bulbo y Capilar (Sistema Lleno)

Los termómetros de tipo bulbo y capilar consisten en un bulbo conectado por un capilar a un elemento de presión (como una espiral o Bourdon). Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expande. Esta expansión provoca que la espiral (o elemento similar) tienda a desenrollarse, moviendo una aguja sobre una escala para indicar la variación de temperatura en el bulbo.

Existen cuatro clases principales de estos termómetros, según la SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) o clasificaciones similares:

• Clase I: Termómetros accionados por líquido (ej. xileno, alcohol).
• Clase II: Termómetros accionados por vapor (presión de vapor de un líquido volátil).
• Clase III: Termómetros accionados por gas (ej. nitrógeno).
• Clase IV: Termómetros accionados por mercurio.

Clase I: Termómetros Accionados por Líquido

Estos termómetros tienen el sistema de medición completamente lleno de un líquido (diferente del mercurio, como xileno o alcoholes especiales). Dado que la dilatación del líquido es aproximadamente proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme.

El volumen del líquido en el sistema depende de la temperatura del bulbo, del capilar y del elemento de medición (afectado por la temperatura ambiente). Por lo tanto:

• En termómetros con capilares de longitud inferior a 5 metros, generalmente solo se compensa el elemento de medición (caja) para evitar errores debidos a variaciones de la temperatura ambiente (Clase IB – Compensación en caja).
• Para capilares superiores a 5 metros de largo, se debe compensar también el volumen del líquido en el tubo capilar, además de la caja (Clase IA – Compensación total).

Los líquidos comúnmente utilizados incluyen alcoholes y éteres. El campo de medición de estos instrumentos varía típicamente entre -150 °C y +500 °C, dependiendo del líquido.

Características de los Termómetros Accionados por Líquido (Clase I)

• Alto torque: Permite accionar mecanismos robustos.
• Respuesta: Rápida respuesta a cambios bruscos de temperatura.
• Precisión: Buena precisión, del ±0.5% o ±10% de la amplitud.
• Escala: Graduaciones uniformes.
• Bulbo: Generalmente de pequeño volumen (poco diámetro y poca longitud). Su volumen está en consonancia con la amplitud de la escala.
• Amplitud de Escala: Mínima de 25 °C y máxima de 220 °C (para un rango específico).
• Rangos Límites Generales: Mínimo –184 °C y máximo +316 °C (dependiendo del fluido).
• Longitud del Tubo Capilar:
  • Clase IA (compensación total): Máxima 31 metros (100 pies); mínima 4.5 metros (5 pies).
  • Clase IB (compensación en caja): Máxima 6 metros (20 pies); mínima 0 metros (0 pies).
• Límites de Temperatura Ambiental:
  • Caja del instrumento: Mínimo –34.4 °C y máximo +66 °C.
  • Tubería capilar:
    • Clase IA: Mínimo -73.3 °C; máximo +93 °C.
    • Clase IB: Mínimo -34.4 °C; máximo +66 °C.
• Costo: Sistema de precio relativamente alto, especialmente los de Clase IA debido al sistema de compensación.
• Protección contra Sobrerrango: Puede llegar hasta un 140% de la escala, siempre que esta temperatura no sobrepase los 343 °C.
• Presión Interna: Estos sistemas, como todos los de bulbo lleno, están llenos a presión. En el caso de la Clase IA, pueden estar a presiones de hasta 2000 psig (aproximadamente 138 bar).

Clase III: Termómetros Accionados por Gas

Estos termómetros están completamente llenos de un gas inerte, como nitrógeno o helio. Al aumentar la temperatura, la presión del gas a volumen constante aumenta de forma proporcional a la temperatura absoluta. Por lo tanto, estos termómetros suelen tener escalas lineales.

La presión en el sistema depende principalmente de la temperatura del bulbo, pero también de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición. Por ello, es necesario compensar los efectos de la temperatura ambiente en el sistema de medición para lecturas precisas, similar a los termómetros de líquido Clase IA (compensación total) o Clase IB (compensación en caja).

Clase IV: Termómetros Accionados por Mercurio

Estos termómetros son un tipo específico de termómetro accionado por líquido, utilizando mercurio como fluido de llenado. Son similares en principio a los otros termómetros accionados por líquido y pueden incorporar compensación en la caja (similar a Clase IB) o compensación total (similar a Clase IA) para variaciones de temperatura ambiente.

Un termómetro industrial de mercurio típico está constituido por el sistema de bulbo, capilar y elemento de presión lleno de mercurio, contenido en una caja metálica. Incluye una escala y un vidrio protector. Cuando se instalan correctamente, estos instrumentos pueden ofrecer lecturas con un error típico de ±0.5% de la amplitud del rango.

Termómetros Basados en la Dilatación de Sólidos

Dentro de esta clasificación se incluyen los medidores de temperatura bimetálicos y los de dilatación lineal tipo varilla.

Termómetros Bimetálicos

Los instrumentos bimetálicos constan de dos láminas de metales diferentes, con distinto coeficiente de dilatación térmica, unidas firmemente entre sí en toda su longitud. Esta tira bimetálica se configura comúnmente en forma de espiral, hélice o como una tira recta.

Funcionamiento del Termómetro Bimetálico

Al aumentar la temperatura, la lámina con mayor coeficiente de dilatación se expande más que la otra. Como están unidas, esta expansión diferencial provoca que la tira bimetálica se curve o doble hacia el lado del material que tiene el menor coeficiente de dilatación. Este movimiento mecánico se utiliza para mover un indicador sobre una escala o para accionar un interruptor.

Existe una gran cantidad de aplicaciones para los bimetales, incluyendo sistemas termostáticos de seguridad, reguladores y sistemas de control On-Off. Un ejemplo común es el termostato de una plancha automática.

Aplicaciones de los Sensores Bimetálicos

Se denomina bimetal a toda pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica, unidos firmemente (por ejemplo, mediante soldadura o laminación) y sometidos a la misma temperatura. Cuando se produce un cambio de temperatura, la pieza se deforma.

Estos dispositivos se emplean en un rango de temperatura aproximado desde –75 °C hasta +540 °C, y son particularmente comunes en el rango de 0 °C a 300 °C. Se disponen en diversas configuraciones: voladizo, espiral, hélice, diafragma, etc., y se mide la fuerza generada o el desplazamiento resultante. También se emplean directamente como actuadores para abrir o cerrar contactos eléctricos. Ejemplos incluyen:

• Termostatos.
• Sistemas de control on-off.
• Dispositivos de protección térmica en interruptores automáticos de circuitos eléctricos. En este último caso, la corriente eléctrica circula por el propio elemento bimetálico, que se calienta por efecto Joule. Al alcanzar una temperatura determinada, la deformación del bimetal interrumpe el paso de la corriente.

Otras aplicaciones incluyen la compensación térmica en dispositivos mecánicos y la detección de incendios. En general, su respuesta a los cambios de temperatura tiende a ser lenta.

Sensores de Temperatura Eléctricos y Electrónicos

Sensores de Resistencia con Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)

Los sensores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC, por sus siglas en inglés: Positive Temperature Coefficient) son aquellos cuya resistencia eléctrica aumenta conforme aumenta la temperatura. Están principalmente constituidos por conductores metálicos.

Los principales metales utilizados para fabricar estos sensores (conocidos comúnmente como RTD – Resistance Temperature Detectors) son:

• Platino (Pt)
• Níquel (Ni)
• Cobre (Cu)
• Iridio dopado con silicio (menos común)

El sensor resistivo de platino (ej. Pt100) es el más utilizado debido a su alta estabilidad, linealidad y amplio rango de temperatura.

Principio de Funcionamiento de los Sensores PTC Metálicos (RTD)

La variación de la resistencia con la temperatura en los metales se explica así: La conductividad eléctrica de un metal depende de la movilidad de los electrones. Si se aplica un voltaje, los electrones se mueven hacia el polo positivo.

Imperfecciones en la red cristalina interfieren con estos movimientos. Estas imperfecciones (impurezas, defectos) contribuyen a una resistencia residual, relativamente independiente de la temperatura.

Con el ascenso de la temperatura, los átomos de la red cristalina vibran con mayor amplitud. Estas vibraciones (fonones) aumentan la dispersión de los electrones, obstaculizando su movimiento e incrementando la resistencia eléctrica. Esto da lugar a un coeficiente de temperatura positivo (PTC).

Sensores de Resistencia con Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)

Los sensores de Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC, por sus siglas en inglés: Negative Temperature Coefficient), también conocidos como termistores NTC, están constituidos por materiales semiconductores, generalmente óxidos metálicos sinterizados. Su resistencia eléctrica decrece de forma no lineal (aproximadamente exponencial) con el incremento de la temperatura.

El término «conductores calientes» se ha usado para algunos de estos materiales, aludiendo a que su conductividad mejora al calentarse.

Debido al aumento exponencial del número de portadores de carga con la temperatura, estos sensores presentan una marcada no linealidad, pero también alta sensibilidad. Su campo de aplicación se ve limitado si se requiere linealidad en amplios rangos, aunque se pueden linealizar. Se usan para monitoreo e indicación de temperaturas, típicamente no mayores a 200-300 °C, con una exactitud de unos pocos °C.

Otros Instrumentos de Medición Mencionados (Flujo)

Nota: Los siguientes instrumentos se utilizan para la medición de caudal de fluidos.

Tubo Venturi

El tubo Venturi mide el caudal de un fluido. Generalmente fabricado en una sola pieza, consta de:

• Una sección de entrada del mismo diámetro que la tubería, con tomas piezométricas para medir la presión estática.
• Una sección cónica convergente.
• Una garganta cilíndrica de diámetro reducido, con tomas piezométricas.
• Una sección cónica divergente (difusor) que recupera presión.

Las tomas de presión de la entrada y la garganta se conectan a un manómetro diferencial para calcular el caudal.

Placa de Orificio

La placa de orificio es una placa delgada con un orificio de precisión instalada en una tubería. Al fluir el fluido a través del orificio, su velocidad aumenta y su presión disminuye. El orificio es normalizado y el chorro generado no toca de nuevo la pared del orificio inmediatamente. El caudal se determina midiendo la diferencia de presión entre tomas aguas arriba y aguas abajo de la placa.