Transductores (II) de medida de temperatura

2) Transductores de medida de temperatura.

La temperatura es una medida de lo caliente o frio que está un cuerpo siendo esto en si un equivalente de la energía cinética que contienen las partículas formantes del cuerpo. Una de las respuestas físicas de un cuerpo ante una subida de la temperatura es la disminución de su densidad, es decir, el aumento de su volumen. Este fenómeno físico, llamado dilatación, es uno de los más empleados a la hora de medir la temperatura.
2.1) Principio de funcionamiento de los instrumentos para medida de Temperatura:

• Termómetro líquido

Los primeros registros de termómetros fueron de este tipo, estos, que aparecieron en la época greco-romano. Aún así estos no eran muy precisos pues es tubo no estaba sellado si no abierto por su extremo libre haciendo que la presión atmosférica afectara a la medición. De todas formas estos termómetros eran más cualitativos que cuantitativos ya que no disponían siquiera de escala de medida.

La escala de medida en los termómetros líquidos fue implantada por primera vez en el termoscopio inventado por Galileo (1564-1642 d.C.) (ilustración 8) siendo este un precursor del actual termómetro.

Este tipo de termómetros usan el fenómeno físico de la dilatación, es decir, el aumento del volumen de un cuerpo según su temperatura. Al ser este incremente siempre constante dependiendo únicamente de la temperatura (siempre que estemos usando un mismo material) se puede emplear como instrumento.

Para facilitar la visualización de este fenómeno se usan los llamados termómetros líquidos. Estos basan su funcionamiento en la dilatación de un líquido, que suele ser mercurio, alcohol u otras mezclas dependiendo de la temperatura de funcionamiento, el cual está contenido en un vidrio en forma de tubo que tiene un coeficiente de dilatación distinto que el fluido. Esto hace que el fluido fluya dentro del tubo de forma proporcional a la temperatura. Y dependiendo de el fluido usado y del diámetro interno del tubo se puede conseguir que por el mismo incremento de temperatura halla más o menos desplazamiento del fluido dentro de él permitiendo de esta forma menor o mayor precisión.

En la ilustración número 9 se pueden apreciar las distintas partes de todo termómetro líquido. El fluido está representado de color negro (2). Este se almacena en una vulva (1) en la parte inferior del mismo la cual es del mismo material que el tubo de vidrio (5) y está conectada a este último. El tubo está cerrado (6) en su extremo para que la presión atmosférica no influya en la medida. La escala y las unidades cuantitativas se ven en (4) y (3).

• Termoresistencias

Las termoresistencias son elementos sensores pasivos que de forma parecida a las galgas extensiométricas, cambian su resistencia a la electricidad frente a un cambio físico. En este caso en vez de la deformación es la temperatura.

Este sensor es una pieza de metal, ya sea un metal puro (Pt, Ni o Cu). La elección del material depende de la temperatura de uso, de la linealidad del cambio de la resistividad junto con la temperatura y el precio.

Este sensor normalmente va protegido del medio en una cápsula de metal que es de distinto material dependiendo del medio para soportar la corrosión a la que está expuesto y la presión, para que estos no sean condicionantes de la medición tomada.

La medición se ha de tomar pasando una diferencia de potencial y ver cual es la intensidad para poder, usando la fórmula de Jolue, saber la resistencia del metal sensor y, con este calibrado, la temperatura a la que se encuantra..

En la ilustración 11 se pueden ver las partes de una sonda con funcionamiento basado en termoresistencias. En sí es simplemente una estructura de sujeción y de protección del sensor.

Este tipo de sensores tiene un problema que dependiendo del medio a medir puede ser grave, que es la inercia térmica del propio sensor, lo que hace que no tenga una respuesta rápida ante una variación de temperatura. Así mismo las vibraciones u otros fenómenos físicos pueden hacer variar la medición. Aún así gracias a su sencillez eléctrica (solamente una resistencia) se evitan en gran medida muchos tipos de averías eléctricas que con los termopares (que veremos a continuación) si que se dan. Otra ventaja es que como eres tu el que aplicas la diferencia de potencial, puedes incrementar esta para poder alejar el sensor del medidor y ponerlo en lugares lejanos e inaccesibles.

• Termopares

Los termopares basan su funcionamiento en el efecto Seebeck descubierto en 1821 por Thomas Johann Seebeck. Este se basa en una diferencia de potencial creada entre dos metales distintos debido a una diferencia de temperatura. Por tanto este tipo de termómetros no miden temperatura absoluta si no que comparan temperatura. En la ilustración 12 se puede ver que se usa agua con hielo, que siempre estará a 0ºC como temperatura de referencia para poder comparar con la temperatura que se desea medir.

En laboratorio se puede usar este sistema pero para un caso real es de difícil uso por lo que se recure a termoresistencias o diodos para medir la temperatura y tener así una temperatura de referencia que se simula con lo que poder mesurar la temperatura del medio.

La ventaja de este tipo de sensores es su precio, sencillez y resistencias pues no es más que dos metales unidos en el punto de medición. Como estos metales pueden ser simples alambres la inercia térmica es prácticamente nula por lo que se usan para poder. Así mismo son los únicos sistemas capaces de medir temperaturas por encima de los 400ºC gracias al amplio de metales utilizables.

Este tipo de sensores, al contrario que otros expuestos anteriormente, la medición que nos da, una diferencia de potencial no se incrementa de forma lineal con la temperatura por tanto se necesita aproximar esta medida a un polinomio complejo de orden 5º o superior o usar métodos analógicos mucho más baratos.

En la ilustración 13 se puede apreciar un esquema de una sonda con termopar a efectos comparativos con la termoresistencia.

Como se puede apreciar en el punto 8 de la ilustración 13 el punto que ha de cambiar su temperatura es de un tamaño muy reducido por lo que este método también es usado a la hora de tomar mediciones en lugares muy pequeños.

Al ser la medición una diferencia de potencial de aproximadamente 41 µV/°C según el tipo de termopar usado uno de sus mayores problemas es el ruido en la señal, delicadeza de las conexiones y longitud de los cables hasta el aparato de medición.

• Pirómetros de radiación

Un pirómetro es un aparato de de medición de la temperatura de la radiación emitida por un cuerpo por lo que no es necesario el contacto directo del medidor con el cuerpo a medir con sus consecuentes ventajas en cuanto a facilidad y comodidad.

Un pirómetro no es más que un sensor de luz pero que, en vez de detectar la luz visible, detecta la luz infrarroja. Como se puede apreciar en la ilustración 14 el infrarrojo está justo por encima de la luz visible y este tiene un frecuencia distinta dependiendo de la temperatura a la que esté el cuerpo a medir y de las propiedades del material del mismo. Por ejemplo, una bombilla incandescente es un cuerpo que la radiación que emite está por debajo de los infrarrojos debido a la alta temperatura de este cuerpo.

Un pirómetro es capaz de medir la temperatura de cualquier cuerpo pero el problema es que no todos los materiales miden de la misma manera por lo que has de hacer correcciones en la medición dependiendo del material, del acabado superficial del mismo. Estas correcciones las puede hacer directamente el instrumento indicándole ciertos parámetros y se pude hacer manualmente sabiendo la radiación emitida.

Este sistema de medición de temperatura tiene en su ventaja su gran inconveniente. Al medir radiaciones estas se comportan de forma característica de forma que se reflejan en unos materiales y en otros no por lo que las mediciones que te de un pirómetro no son siempre fiables. Por ejemplo, si quieres medir la temperatura de un espejo perfecto no podrás usar un pirómetro pues solo conseguirás medir la temperatura de lo que esté reflejándose en el espejo.

En la ilustración número 15 se puede apreciar un pirómetro portátil de medida puntual. Este consiste en un sensor de infrarrojos que mide un punto en concreto, este punto de medición lo determinas gracias a una luz laser con la que apuntas lo que quieres medir. La pantalla trasera sirve para tomar las mediciones así como para introducir los parámetros del material que estás midiendo.

También existen sistemas más avanzados que se parecen más a cámaras digitales que son a grandes rasgos múltiples medidores puntuales unidos que te dan una imagen en el rango de los infrarrojos. Esta imagen se reproduce en una pantalla simulando para cada frecuencia infrarroja un color haciendo de esta forma visible para el ojo humano la radiación infrarroja.

Este tipo de dispositivos se usan más de forma cualitativa que cuantitativa por la cantidad de parámetros a tener en cuenta.