Termómetro de Expansión

Termómetro de Expansión.

Principio de funcionamiento

Los termómetros de expansión son instrumentos de medida de temperatura universales para medios gaseosos, líquidos y altamente viscosos sometidos a cargas extremas. Los termómetros son instrumentos utilizados para medir la temperatura. El método más usado para medir la temperatura empleando termómetros es el fenómeno de la dilatación de metales, principalmente el mercurio. El fenómeno de la dilatación se basa en el estiramiento del metal cuando la temperatura aumenta. Para tener una medida correcta de la temperatura, a los termómetros se les agrega una graduación que depende de la escala de temperatura en la que se desee obtener la medición. Los termómetros son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su funcionamiento se basa en la propiedad que tienen algunas sustancias de variar con la temperatura tales como: variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases), variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia), variación de resistencia de un semiconductor (termistores) ,f.e.m creada en la unión de dos metales distintos (termopares) , intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo, otros fenómenos utilizados en la laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal).

Tipos: 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. 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.

TERMÓMETRO DE VIDRIO Funciona por la dilatación de un líquido alojado en un bulbo , que se visualiza en un capilar cuyo pequeño diámetro permite apreciar grandes variaciones de la longitud del fluido dilatado para un determinado volumen. La expresión del volumen total del fluido encerrado es: V = Vo (1+ α∆t ) En aplicaciones industriales se protege los termómetros con una vaina o cubierta de me tal , que puede ser acero (generalmente inoxidable) o bronce , latón , aluminio , níquel. El vidrio tiene una forma convexa que permite ampliar mediante efecto óptico el ancho del capilar lleno de fluído al efecto de visualizar mas fácilmente la temperatura. El espacio entre el bulbo y la vaina se rellena de algún material altamente conductor térmico como un aceite de silicona , o fino polvo de cobre o bronce para obtener constantes de tiempo lo mas pequeñas posibles , por ejemplo del orden del medio segundo. En los últimos años se han desarrollado encapsulados transparentes de teflón a fin de evitar contaminaciones en caso de rotura. Los termómetros se calibran para ser usados de diversos modos por ejemplo: Inmersión Parcial, se sumerge el bulbo en el fluído cuya temperatura se quiere medir. Inmersión Total, se sumerge toda la columna de líquido de medición . Inmersión completa, se sumerge todo el termómetro . Los termómetros de mercurio pueden tener electrodos que le permitan una o mas salidas eléctricas puntuales, uno de los electrodos va en el bulbo ylos otros a distintas temperaturas fijas. Los termómetros de máxima tienen una restricción a la salida del bulbo que impide el fácil retorno del mercurio a l mismo. Se debe agitar en forma violenta el termómetro para lograr este retorno. Aplicación clásica de lo antedicho es el termómetro clínico.

TERMÓMETRO BIMETÁLICOS Se basa en la diferencia de dilatación de los metales tales como: Aluminio, Bronce, Cobre , Laton , Níquel , Níquel Cromo , Monel , Acero , Aleación Hierro – Niquel(36%) llamada Invar , Porcelana , Cuarzo. El aluminio tiene el mayor coeficiente de dilatación de los mencionados. Se obtienen exactitudes del orden del 1% de la medición.

Aplicación y Descripción Los termómetros bimetálicos se utilizan en el lugar para la medida directa de temperatura. Una amplia gama de versiones estándares permiten una variedad de aplicaciones. Además, versiones especiales se fabrican a la especificación del cliente. Áreas especiales de aplicación: plantas industriales pesadas, tuberías y recipientes, máquinas etc. Los dispositivos son instalados en una termopozo con un tornillo de ajuste. Simplemente atornille en el termopozo, enchufe el termómetro y sujete con el tornillo de ajuste. Método de Operación El elemento de medida del termómetro bimetálico es una hélice bimetálica de respuesta rápida. Es fabricado a partir de dos tiras de metal soldadas en frío con diversos coeficientes térmicos de expansión, que se tuercen en función de la temperatura. El movimiento rotatorio se transfiere con baja fricción a la punta indicadora. Características Sistema bimetálico de alta calidad y baja fricción particularmente estable. Clase de precisión 1.Corto tiempo de amortiguación de temperatura, con adaptación optimizada del tubo protector al bulbo especial de metal liviano. Efectos de vibración reducida con elemento bimetal endurecido protegido contra exceso de temperatura. Extremadamente sólido y una cubierta torsionalmente fuerte. Perfecto y rápido sellado del punto de medición conuna rosca de tubo protector especialmente áspera.

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. 

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.

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

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Relación lineal resistencia-temperatura.

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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

MEDICION DE RESISTENCIA ELECTRICA