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Catálogo de instrumental


Cómo medir la temperatura. Tipos de termómetros

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Clasificación de termómetros

El control de procesos es uno de los factores más importantes en una producción con un alto estándar cualitativo, de la misma manera que la precisión en clave es clave en la investigación. La temperatura es hoy en día una de las variables más importantes en ambos sectores.
Hasta hace pocas década, los termómetros tanto en la industria como en los laboratorios eran generalmente de dos tipos: de vidrio o bimetálicos.
Los termómetros de vidrio y bimetálicos usan la expansión térmica para medir la temperatura. Este método se basa en la medida directa de una transformación física y puede suministrar un falso sentido de fiabilidad, ya que es posible "ver" como funciona.
Este sistema ya no es el adecuado por muchas razones. Su precisión y su rango son muy limitados. Los termómetros de vidrio son frágiles y peligrosos tanto para la salud como para el ambiente. Por estas razones, se ha hecho necesario un método alternativo para medir la temperatura, como son los termómetros electrónicos.
Los termómetros electrónicos ofrecen una precisión elevada, seguridad y versatilidad en el control de la temperatura de los procesos industriales, alimentarios y en los análisis de laboratorio.
Su velocidad de respuesta es importante cuando las reacciones que se monitorizan, cambian rápidamente. Además, usan sensores de pequeñas dimensiones, que permiten realizar la medida en áreas reducidas, como por ejemplo en la electrónica. ofrecen posibilidad de memorizar las medidas, no temen la tensión mecánica o las condiciones ambientales adversas que se pueden encontrar en las medidas de campo.

Unidad de medida

La temperatura es una de las cualidades físicas más familiares en nuestra experiencia diaria. Físicamente, esta cualidad se define para relacionar las variaciones volumétricas de un cuerpo con las variaciones de temperatura.
La escala de temperatura fundamental es la escala absoluta, termodinámica o grado Kelvin. El grado Kelvin (D) se define como la fracción 1/273.16 de la temperatura absoluta del punto triple del agua.
El punto triple del agua es un punto fijo estándar en el cual los estados del agua, tales como líquido, sólido (hielo), y gaseoso (vapor) están en equilibrio. Normalmente se utilizan dos escalas de temperatura empírica: La escala Celsius y la Fahrenheit. Estas escalas están basadas en dos puntos fijos.
La escala de temperatura Celsius (oficialmente centígrada) utiliza la unidad de grado centígrado (ºC) definido 1/100 de la diferencia entre la temperatura del punto de ebullición (100 ºC) y el punto de congelación (ºC) del agua.
La relación entre la temperatura en grados K y en grados ºC viene dada por la siguiente fórmula:

K = ºC + 273.15

La escala Fahrenheit, difundida sobretodo en USA, utiliza como unidad de medida el grado Fahrenheit (ºF), indicado con la ºF, donde la temperatura del punto de ebullición del agua se toma como 212 ºF, y el punto de congelación del agua como 32 ºF.
Históricamente, la escala fue definida tomando como base la temperatura de una mezcla de agua y sal como valor 0 ºF, y del cuerpo del inventor 96 ºF. La relación entre las escalas Fahrenheit y Celsius se define como:

ºF = 9/5 ºC + 32


Los termómetros y la precisión

Como se señala anteriormente, la moderna tecnología ha consentido producir termómetros electrónicos que usan diferentes principios / sensores de medida, a un costo razonable.

PRECISIÓN
Con indicadores digitales es fácil señalar resoluciones de 0.1 grados ºC.
La resolución no tiene ninguna relación con la precisión de las medidas.
A continuación se reproducen las causas que comportan errores en un sistema de medida:

· Instrumento. El instrumento puede tener un rango ampliado, es posible obtener 19000 puntos de medida. En el interior de los 19000 puntos, el instrumento puede tener comportamientos diferentes a causa de la linealidad interna.

· Los componentes electrónicos usados tienen una desviación según la temperatura del ambiente. Por lo tanto, la precisión del instrumento se ofrece a una específica temperatura de 20 o sino de 25 ºC, y la desviación se declara para cada grado de variación respecto a la temperatura de referencia.

· Muchos componentes electrónicos tienen limitaciones de uso en términos de temperatura (de 0 a +70 ºC). En el caso que el instrumento opere por afuera de esas temperaturas, se usan componentes militares que ensanchan el campo de empleo de -55 a +125 ºC.

· LCD. Los cristales líquidos tienen una limitación de empleo en función de la temperatura. El campo normal es de 0 a 50 ºC. Están disponibles componentes para temperaturas de -20 ºC hasta +70 ºC.

· Las pilas de alimentación del instrumento tienen limitaciones de empleo.

· El sensor de medida tiene un error propio. Dicho error se añade al error del instrumento.

Los ejemplos indicados anteriormente, dan a conocer las diferentes posibilidades de error que llevan a definir y garantizar la precisión del instrumento.

OTRAS ACLARACIONES:
Si la sonda se suministra junto con el instrumento: en este caso, el error de la sonda se anula en la calibración que se realiza durante el proceso de producción. El error reaparece en el caso que se reemplace la sonda.

Calibración por parte del usuario:

Para la calibración de los termómetros sirve:
· En el caso de los termómetros PT100, un simulador de resistencia;
· En el caso de los termómetros con NTC/PTC, dos baños termostáticos;
· En el caso de los termómetros termopar, un simulador de la f.e.m (fuerza electromagnética) generada por l a sonda tipo K;+
· En el caso de los termómetros con infrarrojos, una fuente térmica (panel) a temperatura controlada.
Es obvio que tal instrumentación para el control de la precisión de los termómetros, hace parte del instrumental de los centros de asistencia especializados y no de usuarios finales.
Importancia de la precisión en la medida de la medida de la temperatura: Hasta hace pocos años, la precisión no era un aspecto crítico, una tolerancia de pocos grados ºC, a menudo no comprometía el proceso. Desde la introducción de las normas APPCC, la precisión de la medida se h a convertido en un f actor discriminante ya que eliminación de los alimentos o su conservación dependían de un error de pocas décimas de grado; una situación que generaba daños económicos. En 1990, HANNA instruments comenzó a desarrollar termómetros para aplicaciones APPCC, en correspondencia con la aplicación en Europa de dichas normas y en poco tiempo se ha convertido en el líder en el mercado europeo gracias a las soluciones tecnológicas ofrecidas al usuario que necesitaba de "precisión".

Calibración de los termómetros termopar

El termómetro termopar ofrece una medida con un tiempo de respuesta muy por debajo de otros sensores y otras tecnologías.
Por desgracia, la medida de la f.e.m. de la sonda tipo K se hace poco precisa a causa del mismo sistema de medida que se basa en la diferencia de f.e.m. generada entre la unión fría y la unión caliente. La f.e.m. puede ser generada en diferentes condiciones:
· Temperatura unión caliente 100 ºC.
· Temperatura unión fría 20 ºC,
diferencia de 80 ºC.
o sino:
· Temperatura unión caliente 90 ºC.
· Temperatura unión fría 10 ºC,
diferencia de 80 ºC.
Por lo tanto, se obtienen 80 ºC de diferencia con 2 diferentes temperaturas de la muestra.
Por esta razón es muy importante la capacidad de determinar la temperatura de la unión fría con la mayor precisión posible. Esta capacidad genera la precisión del sistema de mediad. Un termómetro termopar consiste en dos termómetros, uno que mide la unión fría y uno que mide la f.e.m. generada por la sonda tipo K. La medida de la unión fría se realiza, por lo general, con un sensor tipo NTC que tiene tiempos de respuesta diferentes respecto a la s onda tipo K. Otra dificultad deriva de la capacidad de medir, sin ninguna influencia del ambiente y de la dispersión, el valor real de la unión fría. Para obviar en parte dicha dificultad, HANNA instruments ha desarrollado la calibración del instrumento y de la sonda tipo K, sumergiendo la sonda en hielo líquido y consintiendo al usuario poder calibrar el sistema a 0 ºC. Gracias a esta solución ahora es posible usar termómetros termopar en el sector ACCPP garantizando la precisión de ?0.3 ºC, ya asegurada por los termómetros con sensor PT100 o NTC, con un tiempo de respuesta superior.

Llaves de calibración.
Para permitir la verificación del estado del instrumento, han sido diseñadas las llaves del control, calibradas en producción entre -15 ºC y 70 ºC. Las dos llaves reproducen el valor del sensor en las diferentes temperaturas. Por lo tanto, es suficiente desconectar la sonda de medida, introducir en su lugar la llave de calibración y controlar si el instrumento indica el valor simulado.
HANNA instruments calibra todos los instrumentos con una sonda tipo. Todas las sonda de temperatura NTC se verifican y calibran con instrumentos tipo. Durante el control de calidad, nuestros técnicos verifican que los errores estén dentro de la precisión declarada. HANNA instruments ha intentado suministrar al usuario la posibilidad de verificar por si mismo la precisión de los instrumentos. En el caso de lecturas no conformes, los instrumentos deben regresar al servicio de asistencia técnica HANNA instruments, presente en 31 países del mundo. Nuestro personal cualificado proveerá al restablecimiento de la calidad y de la precisión necesaria.
HANNA instruments ofrece una línea de termómetros electrónicos capaces de garantizar medidas con precisión hasta el décimo grado centígrado (ºC), con tiempos de respuesta breves y dimensiones reducidas para dar la máxima practicidad de uso. Los termómetros. HANNA instruments pueden ser subdivididos en cuatro grandes categorías: termómetros termistor, termopar, termómetros Pt100 e infrarrojos.

Termómetros termistor
El termistor es un dispositivo resistivo con semiconductores termosensibles cuya resistividad varía en función de la temperatura (T).

Las sondas termistor NTC son adecuadas para medidas en campos limitados de temperatura de (desde -50 ºC a + 150 ºC), con el límite superior establecido principalmente por el posible daño que las altas temperaturas producirían al material del semiconductor y otorgan resultados con una óptima precisión, gracias a la elevada sensibilidad de este dispositivo.

Termómetros termopar
El termopar consiste en la unión de dos hilos de diferentes materiales metálicos. Colocando la unión entre dos materiales a una determinada temperatura, se forma una diferencia de potencial entre los extremos opuestos libres de dos hilos (efecto "Seebeck"). La punta de medición del termopar se denomina unión caliente, mientras que la conexión del termopar al instrumento es la unión fría, es posible determinar el valor de la temperatura.
Existen varios tipos de termopares identificados por un código ANSI que consiste en luna letra del alfabeto.
HANNA instruments ha decidido desarrollar termómetros y sondas de temperatura que usan termopares de tipo K.

Termómetro Pt100
El principio de funcionamiento de los termómetros de resistencia se basa en el aumento de la resistencia eléctrica de los conductores metálicos (RTD: "Resistance Temperatura Detectors") con el incremento de la temperatura.
Su invención se remonta a 1821, cuando Sir Humphry Davy desubrió dicho fenómeno físico.
En 1871, Sir William Siemens describió la aplicación de esta propiedad utilizando el platino, introduciendo en este modo, una innovación en la construcción de los sensores de temperatura. Los termómetros con resistencia de Platino han sido el estándar internacional para mediciones de temperatura entre el punto triple del hidrógeno a 131.81 K y el punto de congelación del antimonio a 630.75 ºC.
El platino, metal noble, no sólo proporciona un mayor rango de medición de temperatura, de -251 a 899 ºC, sino que también es el más lineal.
Los termómetros RTD de Platino, eran muy populares en los años '70. Ahora han sido superados por los sensores termistor, debido a sus dimensiones reducidas (masa) y a su respuesta rápida con el variar de la temperatura.
El sensor RTD más difundido, en lo que respecta al platino, es el Pt100, lo que significa una resistencia de 100 O a 0.0 ºC con un coeficiente de temperatura de 0.00385 por grado Celsius. Por un costo adicional, se pueden también obtener sensores de platino a 250, 500 ó 1000 O (Pt 1000).
Un inconveniente de las sondas RTD es la resistencia eléctrica introducida en el sistema por el cable de conexión. Esta resistencia impide el uso de cables estándar de doble hilo para longitudes superiores a algunos metros, y que influyen en la precisión de la medida.
Por este motivo y con el fin de obtener una elevada precisión en las aplicaciones industriales y de laboratorio, se recomienda el uso de un sistema de 3 ó 4 hilos. HANNA instr4uments ha seleccionado para todos sus termómetros y sondas Pt100, la tecnología con más hilos, garantizando en este modo una elevada precisión.

Termómetro por infrarrojos
Todos los objetos emiten una energía en el espectro de las radiaciones infrarrojas, que se colocan entre las radiaciones visibles y las ondas radio. Los orígenes de la medición de las radiaciones infrarrojas (IR) se remontan al prisma ideado por Newton para la descomposición de la luz solar en los distintos colores del espectro visible y en energía electromagnética. En 1800 fue posible medir la energía relativa de cada color. Sin embargo, no fue hasta principios de siglo vente cuando se pudo tener una medida de la energía de la radiación infrarroja.
Se descubrió que esta energía es proporcional a la cuarta potencia de l a temperatura del objeto. Hace 50 años, aparecieron los primeros termómetros con infrarrojos que usaron esta fórmula. Utilizan casi exclusivamente un sensor óptico que mide la energía térmica emitida por el objeto.
La señal analógica del sensor es amplificada, linealizada y convertida por un circuito, permitiendo visualizar en una pantalla la medición en grados Celsius o Fahrenheit.
La medición con termómetros infrarrojos está indicada en todos los casos en los cuales no sea recomendable una medición por contacto de la temperatura de la superficie, con una sonda tradicional. Las posibles aplicaciones de termómetros infrarrojos incluyen: la medición (sin penetración) de productos alimenticios, maquinaria en movimiento o en superficies con temperatura muy alta o con voltaje elevado.
Teóricamente, la superficie ideal par ala medición con infrarrojos está representada por un cuerpo negro, cuya emisividad es igual a 1.0 La emisividad se define como la relación entre la energía emitida por un objeto a una cierta temperatura y la emitida por el radiador negro perfecto (o cuerpo negro) en la misma temperatura. Cuanto más reflectante sea la superficie a medir, menor precisión tendrán las mediciones. Así, el valor de emisividad de la mayor parte de materiales orgánicos y de superficies toscas u opacas está en torno a 0.95, y es, por l o tanto, adecuado para dediciones de IR.
Por otra parte, las superficies muy pulidas y reflectantes, como espejos o aluminio pueden no ser idóneas para este tipo de medición. Esto se debe a dos f actores que son el poder reflectante y la transmisibilidad. El primero es la capacidad de un objeto de reflejar la radiación infrarroja, y la segunda es su capacidad de transmitirla. Otro factor importante es el área de medida. De hecho, los termómetros con infrarrojos miden la temperatura media del área del objeto que se encuentra en el campo de acción del sensor. Para un buen resultado, es importante que toda el área a medir esté encuadrado en el campo de visión, sin obstáculos entre el medidor y el objeto. Es necesario además, tener en cuenta el coeficiente óptico del instrumento, es decir, la relación entre la distancia del objeto y el área a medir.

Temperatura de referencia
En 1990, el NIST ha establecido los 17 puntos fijos del rango internacional de temperatura (LIPTS-90), tomando como base los fenómenos físicos naturales reproducibles. Los puntos fijos del rango IPTS-90 han sido enumerados en la tabla reproducida a continuación:

Punto de equilibrio
K
ºC
Punto presión de vapor del helio
de 3 a 5
de -270.15 a -268.19
Punto triple del hidrógeno
13.8033*
-259.346
Punto de ebullición del hidrógeno a 33.330.6 Pa
17.042 *
-256.108*
Punto de ebullición del hidrógeno en equilibrio
20.28*
-252.87*
Punto triple del neón
27.102
-246.048
Punto triple del oxígeno
54.361
-218.789
Punto triple del argón
83.8058
-189.3442
Punto triple del mercurio
234.3156
-38.8344
Punto triple del agua
273.16
0.01
Punto triple del galio
302.9146
29.7646
Punto de fusión del indio
429.7485
156.5985
Punto de fusión del estaño
505.078
231.928
Punto de fusión del zinc
592.677
419.527
Punto de fusión del aluminio
933.473
660.323
Punto de fusión de la plata
1234.93
961.78
Punto de fusión del oro
1337.33
1064.18
Punto de fusión del cobre
1357.77
1084.62

*Dado por e-H2, es decir, el hidrógeno en la concentración de equilibrio de las formas orto y para.

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