Introducción

¿Qué es un Termómetro?

El Termómetro es un instrumento empleado para medir la temperatura. El termómetro más utilizado es el de mercurio, formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura puede leerse en una escala situada junto al capilar. El termómetro de mercurio es muy usado para medir temperaturas ordinarias; también se emplean otros líquidos como alcohol o éter.

Los modernos termómetros de alcohol y mercurio fueron inventados por el físico alemán Gabriel Fahrenheit, quien también propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada, que lleva su nombre. En la escala Fahrenheit, el punto de congelación del agua corresponde a 32 grados (32 ºF) y su punto de ebullición a presión normal es de 212 ºF. Desde entonces se han propuesto diferentes escalas de temperatura; en la escala centígrada, o Celsius, diseñada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en la mayoría de los países, el punto de congelación es 0 grados (0 ºC) y el punto de ebullición es de 100 ºC.

¿Qué es la termometría?

La termometría es una rama de la física que se ocupa de los métodos y medios para medir la temperatura. Simultáneamente la termometría es un apartado de la metrología, cuyas misiones consisten en

• asegurar la unidad de mediciones de la temperatura,

• establecer las escalas de temperatura,

• crear patrones,

• elaborar metodologías de graduación y de

• la verificación de los medios de medida de 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.

• Pirometro óptico.

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 línea 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 1O-2O de su temperatura absoluta, un error de 1% en la confrontación del brillo supone solamente un error de O.O5 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.

Pirómetro óptico

Cuando la energía radiante es a la vez luminosa, como sucede con las flamas y los metales fundidos se utiliza un pirómetro óptico, cuyo principio se basa en la variación de la resistencia de una foto celda al variar la intensidad de la luz a la que esta expuesta.

Este instrumento tiene 2 Fotoceldas conectadas en un circuito electrónico y el galvanómetro es sustituido por un bulbo.

Una fotocelda es expuesta al cuerpo caliente y la otra a una fuente luminosa, normalmente una lámpara de filamento de carbón. Al recibir la primera fotocelda el choque de la luz cambia su resistencia de acuerdo a la intensidad de dicha luz variando la corriente de placa del bulbo, Esto hace que aumente o disminuya la corriente de la lámpara que ilumina la segunda fotocelda, llevándola inmediatamente en equilibrio con la fotocelda expuesta al objeto caliente.

Normalmente se usan filtros para disminuir los efectos de los gases o vapores interpuestos entre el objeto caliente y el instrumento.

Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge radiante y la conserva sobre una termopila colocad en el foco de la lente; (cóncava) generando así una fem. que es medida con un potenciómetro de balance continuo.

Este tipo de aparatos es muy usual en hornos y en la industria metalúrgica donde se mueven lingotes, placas o biletes a temperaturas elevadas, la termopila es un grupo de pequeños termopares conectados en serie, cuyo juntas calientes son aplastadas y ennegrecidas, colocadas casi juntas en el centro de un disco como se muestra en la siguiente figura.

Para compensar los efectos de la variación de temperatura en la termopila, se agrega una resistencia de níquel en paralelo a la salida la cual aumenta o disminuye la fem. producida, compensando dicha variación.

• Termómetro de gas.

    El termómetro de gas de volumen constante, mencionado al hablar del establecimiento de la escala termodinámica de temperaturas, pertenece a la categoría de termómetros llenos de gas y es el más exacto de este tipo. Para usos industriales, un termómetro por presión de gas consta de un elemento que mide la presión, como el tubo Bourdon conectado por un tubo capilar a una ampolla que se expone  a la temperatura que se ha de medir.  El sistema se llena, a presión, con un gas inerte, ordinariamente el nitrógeno. Como el gas del elemento medidor y del tubo de conexión no está a la temperatura del bulbo, el volumen de éste tiene que ser grande para que los errores introducidos por la diferencia de temperatura del elemento medidor de la presión y del tubo capilar resulten insignificantes.  El bulbo debe tener por lo menos cuarenta veces el volumen del resto del sistema.  Por ello, y a causa del retardo en la transmisión de los cambios de presión por el tubo capilar, la longitud de éste se limita a un máximo de 60 m, y es preferible mucho menos.

    La presión inicial en el termómetro de gas es ordinariamente de 10 a 35 Kg/cm².  Las dimensiones de la escala menores de 50 grados no son recomendadas. Con una dimensión de escala de 200 grados. El tiempo de respuesta tiende a ser largo, en parte a causa de la necesidad de transmitir los cambios de presión por medio de un tubo de calibre fino y en parte a causa del gran volumen y escasa conductividad térmica del nitrógeno. Para el volumen suficiente, el bulbo tiene ordinariamente 22 mm. de diámetro, lo que da una respuesta lenta.

    La temperatura es indicada por una aguja que se mueve sobre una escala graduada o se registra en un papel de gráficas sobre un cilindro por una pluma accionada por el elemento que mide la presión. La escala para los registradores rara vez es menor de 100 grados centesimales, pero en los aparatos indicadores el campo puede ser menor.

   Los termómetros de gas a presión se emplean en temperaturas entre -450 °F. y + 1000 °F. (-268 °C. y  + 538 °C.), lo cual queda parcial o enteramente fuera de los límites de los sistemas de vapor a presión y en aplicaciones en que la menor exactitud y el mayor tamaño del bulbo no exigen la elección de un termómetro de alto costo del tipo de expansión de líquido.

• Termocupla.

Una termocupla es un sensor para medir temperatura. Consiste en dos cables de metales distintos, conectados en un extremo donde se produce un pequeño voltaje asociado a una temperatura. Ese voltaje es medido por un termómetro de tremocupla.

Las mediciones de temperatura que utilizan termocuplas o termopares se basan en el descubrimiento hecho por Seebeck en 1821. Este se puede resumir de la siguiente manera: una corriente fluye en un circuito contínuo de dos alambres de distintos metales, si las conexiones o uniones se encuentran a temperaturas distintas. La corriente será proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones.

Lo anterior se puede representar según el siguiente esquema en que la sonda termoeléctrica acciona el galvanómetro (aparato para fuerzas electro motrices):

En la práctica, la soldadura de referencia permanece a temperatura ambiente, en general dentro del mismo instrumento. Como usualmente el galvanómetro está a apreciable distancia (entre 1 y 100 metros) de la soldaura caliente y sería muy costoso prolongar metales de la termocupla hasta esas distancias, se intercala entre la termocupla y el galvanómetro un cable llamado cable de compensación. Este es de una aleación especial que no forma termocupla con los metales ni con los bornes del instrumento, no alterando prácticamente las indicaciones del galvanómetro.

Lo anterior se puede representar según el siguiente esquema:

Si bien es cierto que cualquier par de metales forma una termocupla solo son algunos los que, por sus cualidades, relevantes, se usan en la práctica. Cada una de estas termocuplas ofrece curvas típicas de F.E.M. vs Temperatura. Para cada una de ellas se fabrican galvanómetros especiales, que generalmente están graduados directamente en grados de temperatura y más raramente en milivolts (mV).

Las termocuplas tienen generalmente dimensiones de entre 20 y 100 cm. y van aisladas, por ejemplo, con cuentas de cerámica y protegidas por vainas cerámicas o metálicas. Los dos extremos libres de los alambres de la termocupla concluyen en una placa de cerámica con dos terminales donde se fijan y desde donde parte el cable compensado hasta el galvanómetro.

• Termómetro de resistencia.

Un termómetro de resistencia es un instrumento utilizado para medir las temperaturas aprovechando la dependencia de la resistencia eléctrica de métales, 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.

Características que deben poseer los materiales que forman el conductor de la resistencia
 

• Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible.

• Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada, mayor será la variación por grado; mayor sensibilidad.

• Relación lineal resistencia-temperatura.

• Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta).

Materiales usados normalmente en las sondas
 

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 0ºC. 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 (-183ºC) hasta el punto de Sb (630'5).

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 100ºC, la resistencia de Niquel 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.

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 180ºC.

• Termómetro de bulbo.

Es un tipo especial de higrómetro, conocido como psicrómetro, consiste en dos termómetros: uno mide la temperatura con el bulbo seco y el otro con el bulbo húmedo. Un dispositivo más reciente para medir la humedad se basa en el hecho de que ciertas sustancias experimentan cambios en su resistencia eléctrica en función de los cambios de humedad. Los instrumentos que hacen uso de este principio suelen usarse en la radiosonda o rawisonde, dispositivo empleado para el sondeo atmosférico a grandes altitudes.

Su bulbo relativamente grande en la parte mas baja del termómetro contiene la mayor cantidad del liquido el cual se expande cuando se caliente y sube por el tubo capilar en el cual esta grabada una escala apropiada con marcas, en la parte superior del tubo capilar se coloca en case de que el margen de temperatura del termómetro se exceda de manera inadvertida. los líquidos mas usados son el alcohol y el mercurio. El alcohol tiene la ventaja de poseer un coeficiente de expansión más alto que el del mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura debido a que tiende a hervir a temperaturas altas. El mercurio no puede usarse debajo de su punto de congelación de -38.78°F (-37.8°C). El tamaño del capilar depende del tamaño del bulbo sensor, el líquido y los márgenes de temperatura deseados para los termómetros.
Por lo general, los termómetros de mercurio en vidrio se aplican hasta 600°F (315°C); pero su alcance puede extenderse a 1000°F (338°C) llenando el espacio sobre el mercurio común gas como el nitrógeno. Esto aumenta la presión en el mercurio, eleva su punto de ebullición y permite; por lo tanto, el uso de termómetro a temperaturas mas altas.