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Medición de la temperatura
La temperatura es una magnitud física que mide la energía cinética media de las partículas de un sistema.En el lenguaje común, lo caliente o frío que está una sustancia o un lugar.
Es una de las siete unidades básicas del sistema SI.
Un aumento de la temperatura significa que las partículas de un sistema se mueven más rápido y de forma más caótica, mientras que una disminución de la temperatura significa que las partículas se mueven más despacio y de forma más ordenada.
Para obtener valores comparables y reproducibles de la temperatura, se definió la unidad "Kelvin (K)" en el sistema internacional de unidades SI. Sin embargo, sólo suele utilizarse en la ciencia o en las fórmulas de cálculo. En la práctica, se utilizan las unidades históricas "grados", que se definieron para determinados puntos fijos de las sustancias (por ejemplo, para "grados Celsius": punto de fusión/punto de ebullición del agua).
La temperatura es uno de los parámetros más importantes de nuestra vida cotidiana y una de las magnitudes físicas que se miden con más frecuencia.
He aquí algunos ejemplos:
- Medición de la temperatura corporal en organismos vivos.
Indicación de enfermedades, etc. - Clima
Esto afecta al crecimiento y la reproducción de los seres humanos, los animales y las plantas, así como a la elección de nuestra ropa y la calefacción de nuestros hogares. - Máquinas y aparatos
No debe sobrecalentarse o funcionar de forma óptima sólo a determinadas temperaturas - Procesos químicos y producción
Que sólo tienen lugar a determinadas temperaturas - Alimentación
Almacenamiento y conservación óptimos de alimentos o preparados alimenticios
En la mayoría de los casos, sin embargo, es necesario determinar la temperatura exacta. Para ello se utilizan diversos aparatos de medición, también conocidos como termómetros en el lenguaje común.
Medidores electrónicos de temperatura
Termómetro de resistencia
Los termómetros de resistencia son sensores de temperatura que se basan en el cambio de la resistencia eléctrica de metales u óxidos metálicos cuando cambia la temperatura. El elemento sensor propiamente dicho se instala en un denominado tubo protector y, por tanto, está protegido contra las influencias ambientales.
Se hace una distinción:- Suficiente cambio de resistencia a bajas temperaturas
Cuando cambia la temperatura, algunos metales tienen un cambio de resistencia suficiente incluso a bajas temperaturas, por lo que se denominan "PTC" (PTC = Positive Temperature Coefficient). Su resistencia aumenta a medida que sube la temperatura.
Los sensores de resistencia estándar del mercado están hechos de níquel (Ni100), cobre (Cu10), platino (Pt100, Pt1000) o silicio.
Debido a las ventajas decisivas de los sensores de platino, estos sensores se utilizan predominantemente en la práctica.
Las sondas Pt100 tienen una resistencia nominal de 100 Ohm (Pt100) o 1000 Ohm (Pt1000) a 0°C. - Suficiente cambio de resistencia a temperaturas más altas
Además de los sensores de temperatura metálicos, en la producción en serie también se utilizan sensores de diversos óxidos metálicos. A menudo, estos sensores solo proporcionan un cambio de resistencia utilizable a temperaturas más altas.
La resistencia desciende cuando aumenta la temperatura. (NTC = Negative Temperature Coefficient).
La ventaja de estos sensores es su bajo coste de producción y su pequeño diseño con una alta sensibilidad de respuesta.
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- Suficiente cambio de resistencia a bajas temperaturas
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Termopares
Los termómetros de resistencia Pt100 pueden utilizarse hasta una temperatura máxima de 850 °C.
Si hay que medir eléctricamente temperaturas más altas, se pueden utilizar termopares. Los termopares funcionan según el "efecto Seebeck", que debe su nombre a su descubridor, el físico alemán Thomas Johann Seebeck. Descubrió que cuando se sueldan dos metales diferentes y la zona soldada y los extremos abiertos de los alambres están a temperaturas diferentes, se crea una tensión.
Esta tensión es proporcional a la temperatura.
Dado que se mide una diferencia de temperatura entre los extremos soldados de los hilos y los tramos abiertos de los hilos, la temperatura en la unión de referencia (tramos abiertos de los hilos) debe ser conocida y lo más constante posible. En el pasado, se utilizaba agua helada para este fin; hoy en día, la temperatura se mide en la unión de referencia y la temperatura se calcula en la electrónica de evaluación posterior.
Los termopares tienen la ventaja de que reaccionan muy rápidamente, pueden medir altas temperaturas y son muy precisos.
Para protegerlos de daños mecánicos o ataques químicos, suelen instalarse en tubos protectores, al igual que el sensor Pt100.
Los pares de hilos metálicos de eficacia probada están normalizados y se comercializan como los denominados termopares.
Termopares disponibles en el mercado:TermoparesTipoTemperatura máx.Pt30Rh-Pt16RhB1820 °CNiCr-CuNiE1000 °CFe-CuNiJ1200 °CNi-CrNiK1370 °CFe-CuNiL900 °CNiCrSi-NiSiN1300 °CPt13Rh-PtR1760 °CPt10Rh-PtS1600 °CCu-CuNiT400 °CCu-CuNiU600 °C
Tenga en cuenta lo siguiente: Los termopares Fe-CuNi y Cu-CuNi estaban disponibles en 2 aleaciones diferentes. No son compatibles.
Los antiguos tipos DIN "L" y "U" deben dejar de utilizarse y sustituirse por los nuevos tipos "T" y "J".
Dispositivos mecánicos de medición de la temperatura (termómetros)
Termómetro para líquidos
Los termómetros de líquido son el tipo más antiguo de termómetro utilizado para medir la temperatura. El principio de medición se basa en la dilatación de los líquidos cuando cambia la temperatura. Existen 2 diseños básicos:
- Termómetro de vidrio
Los termómetros de vidrio constan de un tubo capilar delgado de vidrio al que se fusiona un depósito más grande en la parte inferior. El depósito está lleno de un líquido que se expande al calentarse y sube por el tubo capilar. Cuando se enfría, el líquido se contrae y la columna de líquido del tubo capilar desciende.
Esta expansión es una medida de la temperatura.
La temperatura medida puede leerse en una escala impresa en el tubo capilar.
Para mejorar la legibilidad, los tubos capilares modernos tienen una forma tal que se crea un "efecto lupa" y la fina línea capilar se agranda ópticamente. El fondo se imprime en blanco y se colorea con líquidos incoloros (líquido termométrico).
Casi todos los líquidos dentro de un determinado intervalo de temperatura pueden utilizarse como líquidos. Deben tener una dilatación lo más lineal posible.
En la práctica, se utilizan principalmente mercurio, galinstan, etanol, isopropanol, tolueno, petróleo o pentano. El líquido ideal para un amplio rango de medición de -30 a 350 °C es el mercurio. El inconveniente del mercurio es que produce vapores tóxicos incluso a temperatura ambiente, lo que puede entrañar riesgos para la salud si se rompe el cristal. Por este motivo, desde 2009 no está permitido utilizar mercurio en la UE (salvo en aplicaciones especiales). El galinstan, una aleación no tóxica de galio, indio y estaño que es líquida en un amplio rango de temperaturas, puede utilizarse como sustituto. El galinstan tiene propiedades similares a las del mercurio. Sin embargo, debido a su fuerte adherencia al vidrio y a los métodos de medición alternativos que existen en la actualidad, el galistan no ha sido ampliamente aceptado. También hay que tener en cuenta que algunos de los líquidos termométricos utilizados son tóxicos o inflamables en caso de rotura del vidrio.
Los termómetros de vidrio no tienen piezas mecánicas móviles, como los termómetros de cuadrante, y no requieren energía eléctrica, como los termómetros de resistencia Pt100. Por lo tanto, no están sujetos a desgaste.
Los termómetros de vidrio se utilizan como termómetros clínicos, en laboratorios o con una carcasa protectora mecánica como los denominados termómetros de máquinas en los sectores naval, de climatización e ingeniería de plantas. Como variante más moderna, los termómetros para máquinas también están disponibles como KOMBITEMP®, en los que se ha instalado un sensor Pt100 adicional para la transmisión a distancia de los valores medidos. Rango de temperatura habitual: -40 °C a +600 °C - Termómetro de agujas con llenado de líquido
El mecanismo de medición de un termómetro de cuadrante consta de un recipiente de almacenamiento y un tubo capilar de metal, que están firmemente soldados a un tubo de Bourdon montado en la carcasa de la pantalla. Este mecanismo de medición está lleno de un líquido termométrico.
Los cambios de temperatura provocan un cambio en el volumen del líquido termométrico, lo que conduce a un cambio en la presión debido al mecanismo de medición cerrado. Este cambio de presión se registra mediante el tubo de Bourdon conocido en la tecnología de medición de la presión y se transfiere a un indicador mediante un sistema de rueda dentada.
A continuación, la temperatura puede leerse en una escala calibrada.
El recipiente de almacenamiento y el conducto capilar están montados en una funda protectora firmemente unida a la carcasa del visor. Un conducto capilar prolongado permite separar el manguito protector (punto de medición) y la carcasa del indicador y transmitirlos a distancias más largas.
Debe tenerse en cuenta que el volumen del líquido termométrico en la línea capilar también se incluye en la medición y provoca errores de medición, especialmente con líneas largas. Esto puede remediarse compensando la línea capilar en fábrica.
Los termómetros de aguja con relleno de líquido han sido sustituidos en muchos casos por termómetros de aguja con relleno de gas. Estos tienen algunas ventajas decisivas.
El aumento de la medición de la temperatura con sensores de temperatura eléctricos (termómetros de resistencia Pt100) también está desplazando este principio de medición del mercado.
- Termómetro de vidrio
Termómetro bimetálico
Los termómetros bimetálicos son dispositivos mecánicos de medición de la temperatura con indicador de aguja.
El principio de medición se basa en la diferente dilatación de los sólidos cuando cambia la temperatura.
Como elemento de medición se utiliza un bimetal, que se dobla al calentarse. Esta flexión es una medida de la temperatura.
El bimetal se compone de 2 chapas metálicas diferentes soldadas en frío (por ejemplo, acero y latón) con coeficientes de dilatación muy diferentes. Las chapas individuales se colocan una encima de otra y se laminan a alta presión. A continuación, las dos chapas se calientan para formar una unión positiva (soldadura en frío).
Al aumentar la temperatura, los dos metales se dilatan de forma diferente y el bimetal se dobla.
Se necesita la tira más larga posible para conseguir la mayor desviación utilizable de la tira bimetálica. Para ahorrar espacio, la tira se enrolla en espiral o helicoidalmente. El resultado es un "muelle espiral bimetálico" o un "muelle helicoidal bimetálico", que puede utilizarse para construir diferentes tipos de termómetros bimetálicos.
Los termómetros bimetálicos con muelles helicoidales para temperaturas bajas (inferiores a 100°C) pueden fabricarse a bajo coste, por lo que suelen utilizarse en el sector de la calefacción/aire acondicionado/ventilación o como termómetros de ambiente.
Gama de temperaturas: -70 a +600°C
-
Termómetros de aguja rellenos de gas
El principio de medición se basa en el cambio de presión de un gas en un volumen cerrado cuando cambia la temperatura. Se basa en la fórmula de estado de los gases, según la cual la relación entre presión, volumen y temperatura de un gas ideal es constante.
p1 x V1 / T1 = p2 * V2 / T2 = constante.
p = Presión, V= Volumen en la unidad de medida (V1 = V2), T= Temperatura
El mecanismo de medición de un termómetro de cuadrante lleno de gas consta de un recipiente de almacenamiento y un tubo capilar de metal, firmemente soldados a un tubo de Bourdon montado en la carcasa de la pantalla. Este mecanismo de medición está lleno de gas nitrógeno presurizado y no tóxico.
Como el mecanismo de medición está completamente cerrado, es decir, el volumen es constante, un cambio de temperatura provoca un cambio en la presión del gas de llenado en el mecanismo de medición. Este cambio de presión genera una desviación del tubo de Bourdon, que se transmite a un puntero a través de un sistema de engranajes.
A continuación, la temperatura puede leerse en una escala calibrada.
El recipiente de almacenamiento y la línea capilar están montados en una funda protectora firmemente unida a la carcasa del visor. Un conducto capilar prolongado permite separar el manguito protector (punto de medición) y la carcasa de visualización y transmitirlos a grandes distancias.
La ventaja sobre los termómetros de cuadrante llenos de líquido es que la línea capilar sólo tiene un volumen muy pequeño y el cambio de volumen del gas en ella puede despreciarse. Hasta 100 m, no se requiere ninguna línea de compensación para corregir los cambios de temperatura en la línea capilar.
Rangos de medición: -250 a + 800 °C
Ventajas de los termómetros de aguja rellenos de gas- Pequeño volumen de gas en la unidad de medición, por lo que el tiempo de respuesta es rápido
- Gas nitrógeno no tóxico en lugar de mercurio tóxico o alcohol inflamable
(por tanto, ideal para aplicaciones alimentarias) - No es necesario compensar la línea de larga distancia de hasta 100 m
- No requiere energía auxiliar, como ocurre, por ejemplo, con los termómetros de resistencia Pt100.
Termómetros sin contacto / Pirómetros de radiación / Termómetros infrarrojos
Un pirómetro de radiación / termómetro infrarrojo es un dispositivo de medición que determina la temperatura
de un objeto sin tocarlo. Este método de medición sin contacto es especialmente útil cuando las superficies
son de difícil acceso (máquinas, electrónica), muy calientes (hornos altos), móviles o sensibles desde el
punto de vista higiénico (alimentos, medicina).
Se basa en el principio físico de que todos los cuerpos con una temperatura superior al cero absoluto (–273,15 °C) emiten radiación electromagnética. Gran parte de esta radiación se encuentra en el rango infrarrojo, que es invisible para el ojo humano. La intensidad y la longitud de onda de esta radiación están estrechamente relacionadas con la temperatura de la superficie. Cuanto más caliente es un objeto, más intensa y de onda más corta es la radiación infrarroja que emite.
Un termómetro infrarrojo aprovecha precisamente esta propiedad: «captura» la radiación y calcula la temperatura a partir de ella.
Para ello, en el interior de un termómetro infrarrojo hay un sistema óptico, que suele consistir en una lente que concentra la radiación térmica entrante. Esta radiación concentrada incide en un detector, normalmente un sensor termopila, que convierte la radiación térmica directamente en tensión eléctrica y es evaluada por un sistema electrónico conectado a continuación. Cuanta más radiación llega, mayor es la tensión, y cuanto mayor es la tensión, mayor es la temperatura medida.
La electrónica del termómetro infrarrojo realiza un complejo procesamiento de señales en el que se tienen en cuenta varios parámetros.
Por ejemplo:
Los termómetros infrarrojos se fabrican como dispositivos manuales compactos con electrónica de evaluación integrada y pantalla, o para su instalación fija con sensor y electrónica de evaluación separados.
Cuanto mayor sea la relación, más precisa será la medición a mayor distancia. Para obtener resultados precisos, siempre se debe asegurarse de que el punto de medición se encuentre completamente sobre el objeto de destino.
Ventajas de los termómetros infrarrojos
Se basa en el principio físico de que todos los cuerpos con una temperatura superior al cero absoluto (–273,15 °C) emiten radiación electromagnética. Gran parte de esta radiación se encuentra en el rango infrarrojo, que es invisible para el ojo humano. La intensidad y la longitud de onda de esta radiación están estrechamente relacionadas con la temperatura de la superficie. Cuanto más caliente es un objeto, más intensa y de onda más corta es la radiación infrarroja que emite.
Un termómetro infrarrojo aprovecha precisamente esta propiedad: «captura» la radiación y calcula la temperatura a partir de ella.
Para ello, en el interior de un termómetro infrarrojo hay un sistema óptico, que suele consistir en una lente que concentra la radiación térmica entrante. Esta radiación concentrada incide en un detector, normalmente un sensor termopila, que convierte la radiación térmica directamente en tensión eléctrica y es evaluada por un sistema electrónico conectado a continuación. Cuanta más radiación llega, mayor es la tensión, y cuanto mayor es la tensión, mayor es la temperatura medida.
La electrónica del termómetro infrarrojo realiza un complejo procesamiento de señales en el que se tienen en cuenta varios parámetros.
Por ejemplo:
- Emisividad del material
Un factor decisivo para una medición precisa es la denominada emisividad. Esta describe la capacidad de una superficie para emitir radiación infrarroja. El valor siempre se encuentra entre 0 y 1:- 1,0 = cuerpo negro perfecto (emisión máxima de radiación)
- 0,0 = sin emisión de radiación (teórico, no ocurre en la práctica)
Los termómetros infrarrojos no pueden medir directamente los metales desnudos, ya que el dispositivo suele medir el reflejo del entorno en lugar de la radiación propia. Por lo tanto, para los metales desnudos se requiere una preparación de la superficie (por ejemplo, cinta adhesiva, pintura, hollín) o pirómetros especiales para metales.
Los materiales orgánicos mates y no reflectantes son emisores de IR casi ideales (por ejemplo: piel: 0,97-0,98; plástico: 0,93-0,98; pintura mate para paredes: ~0,95; madera: 0,90-0,97). Muchos termómetros infrarrojos tienen una emisividad ajustable. Esto permite al usuario adaptar el dispositivo al material que se va a medir para obtener resultados precisos.
En los dispositivos con un valor de emisión fijo, la precisión es menor con determinados materiales, pero su manejo sigue siendo muy sencillo. - Temperatura ambiente (para la compensación interna de temperatura)
- Sensibilidad espectral del sensor
- Propiedades ópticas de la óptica de medición
- Temperatura ambiente (para la compensación interna de temperatura)
- Curvas de calibración del dispositivo
Los termómetros infrarrojos se fabrican como dispositivos manuales compactos con electrónica de evaluación integrada y pantalla, o para su instalación fija con sensor y electrónica de evaluación separados.
Punto de medición y relación de distancia.
En los termómetros infrarrojos, la relación entre la distancia de medición y el tamaño del punto de medición (en inglés, «distance-to-spot ratio») desempeña un papel fundamental. Describe el tamaño del área desde la que el termómetro capta la radiación. Una relación de 12:1 significa, por ejemplo, que el dispositivo registra un punto de medición de 1 cm de diámetro a una distancia de 12 cm.Cuanto mayor sea la relación, más precisa será la medición a mayor distancia. Para obtener resultados precisos, siempre se debe asegurarse de que el punto de medición se encuentre completamente sobre el objeto de destino.
Ventajas de los termómetros infrarrojos
- Sin contacto
ideal para objetos calientes, peligrosos o en movimiento - Medición rápida
resultados en fracciones de segundo (por lo que son ideales para aplicaciones alimentarias) - Higiénicos
sin contaminación, especialmente relevante en el sector alimentario o sanitario - Versátiles
funcionan con máquinas, líquidos, paredes o componentes eléctricos
Mesure chimique de la température (encres thermosensibles, bandes de mesure de la température)
Las tintas térmicas son pigmentos especiales que cambian de color en función de la
temperatura.
Imagen: Principio de funcionamiento de la banda térmica Son ideales para productos en los que se desea visualizar los cambios de temperatura, por ejemplo, en la industria, en el laboratorio o en la vida cotidiana.
Se distinguen dos tipos de tintas térmicas:
Las tintas térmicas se aplican directamente sobre el objeto que se desea medir o se pegan en forma de tiras térmicas. Las tiras térmicas están compuestas por una lámina fina sobre la que se aplican uno o varios campos de tinta sensibles a la temperatura.
Si se aplican varias tintas térmicas diferentes, también se puede supervisar un rango de temperatura más amplio.
Dependiendo del modelo, los campos reaccionan de forma reversible o irreversible.
Imagen: Principio de funcionamiento de la banda térmica Son ideales para productos en los que se desea visualizar los cambios de temperatura, por ejemplo, en la industria, en el laboratorio o en la vida cotidiana.
Se distinguen dos tipos de tintas térmicas:
- Tintas térmicas reversibles
Estos cambian de color a la temperatura definida y vuelven a adoptar su color original cuando regresan a la temperatura inicial.
Las tintas térmicas reversibles contienen sistemas de colorantes microencapsulados que reaccionan a los cambios de temperatura. En las cápsulas suelen actuar conjuntamente colorantes leuco, reveladores y disolventes. Cuando se alcanza una temperatura determinada, la estructura química del colorante cambia y el color desaparece o aparece.
Al enfriarse de nuevo, el colorante recupera su estructura original y, con ello, su color inicial. - Tintas térmicas irreversibles
Estas tintas cambian de color de forma permanente e indican de manera fiable los excesos de temperatura críticos.
Los tintes térmicos irreversibles se basan en pigmentos o reacciones químicas que se modifican de forma permanente con el calor. Si la temperatura supera un umbral definido, las moléculas del colorante se transforman de tal manera que el color cambia de forma permanente. Esta reacción es irreversible, por lo que los picos de temperatura permanecen visibles de forma fiable.
Las tintas térmicas se aplican directamente sobre el objeto que se desea medir o se pegan en forma de tiras térmicas. Las tiras térmicas están compuestas por una lámina fina sobre la que se aplican uno o varios campos de tinta sensibles a la temperatura.
Si se aplican varias tintas térmicas diferentes, también se puede supervisar un rango de temperatura más amplio.
Dependiendo del modelo, los campos reaccionan de forma reversible o irreversible.