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La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frío. Por lo general,
un objeto más "caliente" que otro puede considerarse que tiene una temperatura mayor, y si es
frío, se considera que tiene una temperatura menor
Temperatura
Es el grado relativo de calor o frío que tiene un cuerpo
Diferentes efectos producidos por la temperatura
Aumento de las dimensiones (Dilatación).
Aumento de presión o volumen constante.
Cambio de fem. inducida.
Aumento de la resistencia.
Aumento en radiación superficial.
Cambio de temperatura.
Cambio de estado sólido a liquido.
Cambio de calor
Observando cada una de las propiedades en los materiales podemos medir la temperatura
observando los efectos de los cuerpos.
Todos los instrumentos de medición de temperatura cualquiera que fuese su naturaleza dan la
misma lectura en cero por ciento (0%) y 100%, si se calibra adecuadamente, pero en otros puntos
generalmente la lectura no corresponderá porque las propiedades de expansión de los líquidosvarían, en este caso se hace una elección arbitraria y, para muchos fines será totalmente
satisfactoria, sin embargo es posible definir una escala de temperatura de un gas ideal como base
suprema de todo trabajo científico.
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Las unidades de temperatura son °C, °F, °K, °Rankine, °Reamur, la conversión mas común es de °C
a °F.
t(°C)=t(°F)-32/1.8
°F=1.8 t°C +32
Relación entre escalas de temperatura
Unidades de Temperatura
Escala
Cero Absoluto
Fusión del Hielo
Evaporación
Kelvin
Rankine
Reamur
Centígrada
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Fahrenheit
0°K
0°R
-218.5°Re
-273.2°C
-459.7°F
273.2°K
491.7°R
0°Re
0°C
32°F
373.2°K
671.7°R
80.0°Re
100.0°C
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212.0°F
Los elementos primarios de medición y temperatura, son transductores que convierten la energía
térmica en otra o en un movimiento.
La diferencia ente el calor y temperatura, es que el calor es una forma de energía y la temperatura
es el nivel o valor de esa energía.
Se han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en 3 tipos:
TERMOMETROS.- Transductores que convierten la temperatura en movimiento.
SISTEMAS TERMALES.- Transductores que convierten la temperatura en presión (y después en
movimiento).
TERMOELECTRICOS.- Transductores que convierten la temperatura en energía eléctrica (y
mediante un circuito en movimiento)
Termómetros
De Alcohol
De Mercurio
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Bimetálico
Elementos Primarios de medición de temperatura
Sistemas Termales
Liquido (Clase I)
Vapor (Clase II)
Gas (Clase III)
Mercurio (Clase IV)
Termoeléctricos
Termopar
Resistencia
Radiación
Optico
Termómetros
Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su funcionamiento sebasa en la propiedad que tienen algunas sustancias de variar su volumen con la temperatura,
pueden usarse en ellos sustancias sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas, con la única
exigencia que la variación de volumen sea en el mismo sentido de la temperatura.
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El termómetro de liquido en vidrio es uno de los tipos mas comunes de dispositivos de medición
de temperatura y sus detalles de construcción , se muestra en la figura siguiente.
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 mas
alto que el del mercurio pero esta l imitado 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 liquido y los
márgenes de temperatura deseados para el 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.
Un método muy usado para medir la temperatura, es la cinta bimetalica se conectan juntos 2
piezas de metal con diferentes coeficientes de expansión térmica para formar el dispositivomostrado en la figura siguiente.
Cuando la cinta se somete a cualquier temperatura mas alta a la temperatura a la cual se hizo la
liga se doblara en una dirección: cuando se somete a una temperatura inferior, se dobla al otro
lado. EZKIN y FRITZE dieron métodos de calculo par las cintas bimetalicas. El radio de curvatura
puede calcularse como:
t = espesor combinado de la cinta ligada.
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m = razón de espesores de los materiales de baja a alta expansión.
n = razón del modulo de elasticidad de los materiales de baja a alta expansión.
a 1 =coeficiente mas bajo de expansión.
a 2 =coeficiente mas alto de expansión.
T = temperatura
To = temperatura inicial de la ligadura.
Los coeficientes de expansión térmica de algunos materiales usados están en la siguiente tabla.
Material
Coeficiente de expansión
térmica x °C
Modulo de elasticidad PSI lb/plg2
GN/m2
Invar
Latón amarillo
Monel -400
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Inconel -702
Acero inox. -3/6
1.7x10-6
2.02x10-5
1.35x10-5
1.25x10-5
1.6x10-5
21.4x106
14x106
26x106
31.5x106
28x106
147
96.5
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179
217
193
CARACTERISTICAS DE LOS TERMOPARES MENCIONADOS
Los 6 termopares mas frecuentemente usados en la practica son:
Positivo
Tipo
Negativo
Cobre
Hierro
Cromel
Cromel
Platino +13% Radio
Platino +10% Radio
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t
J
E
K
R
S
Constantán
Constantán
Constantán
Alumel
Platino
Platino
La clasificación por tipos a sido elaborado por la SAMA y adoptado por la ISA.
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Cobre - Constantán (T)
Se utiliza para medir temperaturas entre los -18.5°C a 379°C y son de un precio bajo y ofrecen
resistencia a la corrosión en atmósferas húmedas. Pueden ser usados en atmósferas reductoras y
oxidantes.
Hierro - Constantán (J)
Se aplican normalmente para temperaturas, que van de -15°C a 750°C, dependiendo de su calibre.
Son recomendables para usarse en atmósferas donde existe deficiencia de oxigeno libre. Son
recomendables ampliamente en atmósferas reductoras. Como tienen un precio relativamente
bajo son muy ampliamente usados para la medición de temperaturas dentro de su rangorecomendado.
Cromel - Constantán (E)
Se emplean primordialmente en atmósferas oxidantes.
Cromel - Alumel (K)
El rango de temperatura recomendado es desde los 280°C a 580°C de acuerdo con el calibre del
alambre usado. Este tipo de termopares presta un servicio optimo en atmósferas oxidantes
aunque también se puede usar en atmósferas reductoras o alternativamente oxidantes o
reductoras o siempre y cuando se use un tubo de protección apropiado y ventilado.
Platino - Radio (R y S)
Si se cuenta con una protección adecuada sirven para la medición de temperaturas hasta de
1650°C en atmósferas oxidantes. Estos termopares se contaminan con facilidad cuando se usan en
cualquier otra atmósfera por lo que deben ser tomadas algunas precauciones en el caso de usarse
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en estas condiciones, mediante tubos de protección adecuados. Los vapores metálicos, el
hidrogeno y los silicones son veneno para este tipo de termopares.
Sus precios, comparando con los demás termopares discutidos son mas altos y si fem. pequeños
por lo que la aplicación de este tipo de termopares esta restringida a altas temperaturas.
Tungsteno - Tungsteno y Renio
Este tipo de termopares es recomendado para las mismas temperatura, que los de tungsteno -
renio. La diferencia esta en que provee 3 veces potencia termoeléctrica 1650°C.
Calibración de Termopar
Frecuentemente se tiene que seleccionar un determinado tipo de termopar que seleccionar un
determinado tipo de termopar de acuerdo con las necesidades de medición y control de
temperatura. La selección, por supuesto, esta basada en varios factores, tales como el rango detemperatura de operación, exactitud requerida, respuesta térmica elevada de fem. y el medio
ambiente en que el termopar va a ser instalado.
LIMITE DE TEMPERATURAS PARA TERMOPAR
Tipo de Termopar
Temperatura
Temperatura
Máxima
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Mínima
CAL
CAL
CAL
CAL
CAL
Tipo T, Cobre - Constantán
Tipo J, Fierro - Constantán
Tipo E, Cromel - Constantán
Tipo K, Cromel- Alumel
Tipo R y S, Platino - Platino 13% o 10% Radio
Platino 30% (Radio 6% - Platino)
Iridio 40%, 60% Radio - Iridio
Tungsteno - Renio
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Tungsteno - Tungsteno (26% Renio)
-185
-17
-185
-17
-17
-17
-17
-17
-17
760
870
1260
590
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650
1100
260
480
535
980
205
370
425
870
1480
1760
1980
2200
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2310
205
370
425
870
Cables de Extensión
El cable de extensión esta constituido generalmente de 2 conductores y esta provisto con unaclase de aislante de acuerdo con las condiciones de servicio particulares. Evidentemente en lugar
de los cables de extensión que podrían usar los mismos alambres de los cuales consisten los
termopares, sin embargo, no seria económico hacerlo ya que por ejemplo:
En el caso de los termopares platino - platino radio el costo de los mismos es elevado por lo cual se
usan otros metales para construir los cables de extensión que tienen propiedades termoeléctricas
iguales o semejantes al de los termopares originales su objetivo; es extender el termopar hasta la
junta de referencia del instrumento.
Tipo de Termopar
Cable de Extensión
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Positivo
Negativo
J
JX
Cobre
Constantán
T
TX
Hierro
Constantán
KX
Cromel
Alumel
K
VX
Cobre
Constantán
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WX
Hierro
R, S
SX
Cobre
Aleación especial de Cobre - Níquel
Tipo de Termopar
Cable de extensión
Polo
Positivo
Polo
Sensitivo
Envoltura
Exterior
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T
TX
AZUL
ROJO
AZUL
J
JX
BLANCO
ROJO
NEGRO
F
FX
AMARILLO
ROJO
AMARILLO
K
KX
CAFÉ
ROJO
ROJO
W
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WX
VERDE
ROJO
BLANCO
R, S
SX
NEGRO
ROJO
VERDE
Pirómetros de Radiación
Hasta ahora se ha visto instrumentos que miden la temperatura por calentamiento directo el
elemento medidor, los pirómetros de radiación no necesitan estar en contacto intimo con el
objeto caliente, el instrumento propiamente dicho es igual al potenciómetro al balance continuo,
pero en vez de termopar se usa una termopila. Este aparato utiliza la ley de Stephan Voltzmann de
energía radiante lo cual establece que la superficie de un cuerpo es proporcional a la 4ta potencia
de su temperatura absoluta:
Q B=KT4
Q B = Energía emitida por un cuerpo
T= Temperatura absoluta (°K)
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K= Constante de Stephan Voltzmann = 4.92x10 Kcal/m2
Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge radiante y la
conserva sobre una termopila colocada 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, cuyas juntas calientes son aplastadas y ennegrecidas, colocadas
casi juntas en el centro de un disco como se muestra en la figura.
Para compensar los efectos de la variación de temperatura en la termopila, se agrega unaresistencia de níquel en paralelo a la salida la cual aumenta o disminuye la fem. producida,
compensando dicha variación.
Pirómetro Optico
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 fotocelda 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
lampara 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 lampara que ilumina la segunda fotocelda,
llevándola inmediatamente en equilibrio con la fotocelda expuesta al objeto caliente.
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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.
Termoposo
Es muy importante que el termopar no toque la pared del termoposo.
CRITERIOS QUE SE DEBEN TOMAR PARA LA ELECCION DEL TERMOPOSO
Que sea resistente a la temperatura.
Acción de gases oxidantes y reductores.
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Que contengan una conductividad térmica muy alta para hacer una transferencia de energía
rápida.
Resistente a los cambios bruscos de temperatura.
Resistente a los esfuerzos mecánicos.
Resistente a la corrosión de vapores ácidos.
MATERIAL DE TERMOPOSOS
Hierro Fundido - Dulce y Acero
Es de reemplazo económico, no justifica la compra de otro. No es muy bueno para atmósferas
oxido - reductoras.
Hierro - Cromo
Resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, también se puede usar con ambiente con
azufre.
Hierro Cromo - Níquel
Es muy resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, no acepta al azufre.
Acero Inoxidable 304-316
Resistente a la corrosión química, a altas temperaturas y ambiente con amoniaco.
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Existen termoposos de vidrio cuando no se aceptan aceros inoxidables, se pueden recubrir con
PVC, Tantalio para resistir la corrosión y otros factores.
El vidrio se emplea en atmósferas de benceno, amoniaco, etc.
Escalas de temperatura aplicables
Exactitud aproximada
Respuesta
Dispositivo
°F
°C
°F
°C
transitorios
Costo
Notas
Termómetro de liquido en vidrio
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a. Alcohol
-90 a 150
-70 a 65
± 1
± 0.5
Mala
Bajo
Usados como termómetros baratos para temperaturas bajas.
b. Mercurio
-35 a 600
-40 a 300
± 0.5
± 0.25
Mala
Variable
Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.
c. Mercurio lleno con gas
-35 a 1000
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-40 a 550
± 0.5
± 0.25
Mala
Variable
Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.
Termómetro de expansión de fluido
a. Liquido o gas
-150 a 1000
-100 a 550
± 2
± 1
Mala
Bajo
Ampliamente usados en las mediciones industriales de temperatura.
b. Presión de vapor
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20 a 400
-4 a 200
± 2
± 1
Mala
Bajo
Cinta bimetálica
-100 a 1000
-70 a 550
± 0.5
± 0.25
Mala
Bajo
Ampliamente usados como dispositivos simples de medición de temperatura
Termómetro de resistencia eléctrica
-300 a 1800
-180 a 1000
± 0.005
± 0.0025
De regular a bueno
Caro
El mas exacto de todos los métodos
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Termistor
-100 a 500
-70 a 250
± 0.02
± 0.01
Muy bueno
Bajo
Util para los circuitos compensadores de temperatura; las cuentas termistores pueden obtenerse
en tamaños muy pequeños.
Termopar
Cobre - Constantán
-300 a 650
-180 a 350
± 0.5
± 0.25
Buena
Bajo
Termopar
Hierro - Constantán
-300 a 1200
-180 a 650
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± 0.5
± 0.25
Buena
Bajo
Superior en atmósferas reductoras
Termopar
Cromel - Alumel
-300 a 2200
-180 a 1200
± 0.5
± 0.25
Buena
Bajo
Resistente a la oxidación a temperaturas altas
Termopar
Platino - Platino con 10% de sodio
0 a 3000
-15 a 1650
± 0.5
± 0.25
Buena
Alto
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Salida baja; el mas resistente a la oxidación a temperaturas altas
Pirómetro óptico
1200 más
650 más
± 20
± 10
Mala
Medio
Ampliamente usado en medición de temperaturas en hornos industriales.
Pirómetros de radiación
0 más
-15 más
± 0.5 °C bajos alcances, 2.5 a 10°C a alta
Buena
Medio a alto
Aplicaciones en aumento como resultado de los nuevos dispositivos de alta precisión que están
en continuo desarrollo