EnseñanzaNúmero 6

Termometría de contacto: Tipos de termómetros. Origen, uso, principales ventajas e inconvenientes

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Mª Carmen García Izquierdo
Centro Español de Metrología

Resumen:

La mayoría de las medidas de temperatura que se realizan cotidianamente, requieren que el termómetro esté en contacto térmico con el sistema del que se desea conocer su temperatura. Este procedimiento para medidas de temperatura se denomina termometría de contacto y es el establecido en La Escala Internacional de Temperatura de 1990 para un rango de temperaturas entre 13,803 3 K ( -259,346 7 ºC ) y 1234,93 K (961,78 ºC).

En las siguientes líneas se describen no solo los pilares en lo que se asienta la EIT-90 para el rango de temperaturas ya mencionado, sino que se establecen los principios en los que se basan los termómetros secundarios más frecuentemente utilizados.

Palabras clave: EIT-90, termometría de contacto, puntos fijos, termómetros de resistencia de platino, termopares, termistores, termómetros de columna

Abstract:

In most temperature measurements a thermal contact is needed between the thermometer and the system whose temperature is to be determined. This method of temperature measurement is called contact thermometry and it is established by the International Temperature Scale of 1990 for a temperature range between 13.803 3 K (-259.346 7 º C) and 1234.93 K (961.78 ° C).

The following lines describe the EIT-90 pillars for the previously mentioned temperature range, and give a general idea about the measurement principles of the most common thermometers.

Key words: ITS-90, contact thermometry, fixed points, thermometers, SPRT, thermocouples, thermistors, liquid in glass thermometers

Introducción

Termodinámicamente el concepto de diferencia de temperatura está ligado al tránsito de calor. Ahora bien, y sin ánimo de quitar mérito al trabajo realizado por los termometristas, en el campo de la termometría primaria dichas medidas son tan difíciles, en la mayoría de los rangos de temperatura, y conllevan tanto tiempo que hace imposible su uso para llevar a cabo medidas prácticas de temperatura. Por esta razón, nacieron las escalas prácticas de temperatura, con la suficiente reproducibilidad para satisfacer las necesidades de la ciencia, el comercio y la salud. El Comité Internacional de Pesas y Medidas, siguiendo los consejos del Comité Consultivo de Termometría, revisa periódicamente esta escala para asegurar que el rango de temperatura que cubre es cada vez más amplio y que los valores de temperatura asignados son próximos a los valores termodinámicos. La última revisión es de 1990, denominada “Escala Internacional de Temperatura de 1990”, o “EIT-90”. Dicha escala utiliza dos filosofías de medida distintas en función del rango de temperaturas, así, para temperaturas superiores a 962 ºC, los instrumentos de interpolación son termómetros de radiación, mientras que para temperaturas inferiores a 962 ºC y hasta -259 ºC, el instrumento de interpolación es el termómetro de resistencia de platino, que es un sensor de contacto.

La EIT-90 tiene la misma estructura básica que sus predecesoras de 1968, 1948 y 1927 y cubre el rango de temperatura desde 0,65 K hasta la temperatura más alta que sea posible medir en términos de la ley de radiación de Planck.

La EIT-90 se apoya sobre tres pilares (Figura 1):

  • Puntos fijos de definición. Son cambios de estado (fusiones, solidificaciones o puntos triples) de sustancias puras. Cada punto fijo es altamente reproducible y se le asigna un valor de temperatura lo más próximo posible a la temperatura termodinámica de dicho cambio de estado.
  • Instrumentos de interpolación: son termómetros muy reproducibles que se emplean para interpolar entre los puntos fijos de definición. Como se ha mencionado anteriormente, desde -259 ºC hasta 962 ºC serían los termómetros de resistencia de platino.
  • Ecuaciones de interpolación: son ecuaciones que describen, desde un punto de vista matemático, el comportamiento del termómetro en todo su rango de calibración. En el caso de los termómetros de resistencia de platino, dichas ecuaciones son empíricas.

Figura 1. EIT-90

Puntos Fijos

Los puntos fijos de definición son las temperaturas de referencia asignadas en la EIT-90 (ver tabla 1) a los cambios de estado de determinadas sustancias de acuerdo a las mejores determinaciones termodinámicas en el momento de la asignación. Una temperatura de referencia se obtiene mediante la definición de tantos parámetros como sea necesario para determinar un único estado de una sustancia dependiente de la temperatura y, por lo tanto, son universales y reproducibles, convirtiéndolos en sistemas muy útiles para ser utilizados como patrón de temperatura

El punto fijo número 2 de la tabla 1 y del punto fijo 5 al 17 son todos transiciones de fase de las sustancias indicadas. Éstos son, todos puntos triples hasta el punto triple del agua (273,16 K) y puntos de solidificación y fusión por encima.

Tabla 1.

La forma más sencilla de representar una transición de fase de una sustancia es mediante los diagramas p T (ver figura 2).

Figura 2. Diagrama de fases

Para la mayoría de las sustancias, las tres líneas que separan sus distintos estados, se unen en un único punto llamado punto triple en el que coexisten los tres estados de la sustancia. El punto triple es la transición entre las fases líquida y sólida en equilibrio con la fase gaseosa. Todos los gases formados por moléculas simples tienen un único punto triple excepto el helio. Este punto, como se puede ver en la figura 2 queda totalmente definido sin determinar la presión.

Otro factor a tener en cuenta es la alta verticalidad de la línea que representa el cambio de estado de sólido-líquido, que es característica en muchas sustancias y que puede ser un factor determinante a la hora de seleccionar una sustancia y no otra como referencia en la EIT-90. Esta verticalidad demuestra la poca sensibilidad de la temperatura del cambio de estado sólido-líquido con la presión, lo que no ocurre con los puntos de evaporación y sublimación, cuyas temperaturas son altamente dependientes de la presión. Esta es la razón por lo que la EIT-90 se define a partir de puntos de fusión o solidificación en vez de en puntos de evaporación y/o sublimación. Ahora bien, aunque la dependencia con la presión sea pequeña, la EIT-90 asigna la temperatura de referencia al cambio de estado sólido-líquido para una presión de referencia, la presión atmosférica normal: 101325 Pa. Por tanto, correcciones adicionales de la temperatura asignada deben realizarse cuando se efectúan medidas a presiones diferentes.

Un cambio de estado involucra la presencia de un calor latente o de una transición de calor. El calor latente es el punto clave para que el cambio de estado de una sustancia pueda ser considerado como patrón de temperatura y consiste en el calor requerido para romper las fuerzas de ligadura que mantienen los átomos o moléculas en una determinada posición. En el proceso de fusión, es el calor necesario para transformar la ordenada estructura cristalina, característica del estado sólido, en una estructura desordenada, propia de los líquidos y se trata de un proceso reversible, por lo que cuando la sustancia se solidifica, el calor latente es liberado.

1 – Composición isotópica natural con excepción del 3He.

– e-H2: Hidrógeno con la composición de equilibrio de las variedades moleculares orto y para.

2 – V: presión de vapor de saturación.

– T: punto triple (temperatura de equilibrio entre las fases sólida, líquida y vapor).

– G: termómetro de gas.

– F,S: punto de fusión, punto de solidificación (temperatura de equilibrio, a la presión de 101 325 Pa entre las fases sólido y líquido)

La figura 3 representa las curvas de solidificación y de fusión de una determinada sustancia. Suponiendo un ritmo constante de calentamiento, la temperatura de la sustancia va aumentando hasta que se alcanza el punto de fusión, donde el calor aplicado es absorbido por dicha sustancia pero sin que su temperatura cambie mientras se está produciendo el cambio de estado de sólido a liquido. Una vez que la muestra está completamente fundida, su temperatura vuelve a crecer otra vez a ritmo constante. El proceso inverso ocurre en la solidificación y mientras la sustancia se va enfriando lentamente, su temperatura va disminuyendo hasta que alcanza el punto de solidificación, momento en el que la temperatura permanece estable mientras se esta produciendo el cambio de estado y el calor latente es emitido. Cuando la solidificación es completa, la temperatura de la sustancia vuelve a decrecer.

El inicio de las mesetas de solidificación se caracteriza por un hecho denominado sobre-enfriamiento, donde la temperatura desciende bruscamente debido a que la sustancia absorbe gran cantidad de calor para formar los primeros núcleos sólidos y que puede ir desde menos de 0,1 K hasta varios kelvin, dependiendo del tipo de sustancia y de su pureza. Una vez que la solidificación se ha iniciado, el calor latente emitido por los primeros núcleos solidificados, calienta la sustancia y su temperatura aumenta bruscamente hasta su valor de solidificación. Durante la meseta de solidificación, la temperatura tiende a decrecer de forma gradual, dependiendo de la pureza de la sustancia y del ritmo de solidificación, hasta que decae bruscamente cuando toda la muestra se ha solidificado.

Figura 3. Mestas de fusión y solidificación

Un experimento llevado a cabo con una muestra de elevada pureza registrará una solidificación y una fusión como las que se muestran en las líneas I de la figura 3. Para conseguir reproducibilidades mejores que 1 mK es necesario que la sustancia tenga una pureza mejor que 99,9999 % ( excepto para el caso del Neón, que no puede obtenerse con una pureza superior al 99,9995 %). La pureza es el mayor factor de influencia en el valor de temperatura de los puntos fijos y hace que la forma de la meseta se vuelva redondeada respecto a la de la sustancia pura, además de por el hecho de que el proceso de fusión y solidificación no es exactamente isotermo tal y como se representa en las líneas II de la figura 3.

Para evitar la contaminación de los metales de los puntos fijos, éstos tienen construcciones especiales y determinados procedimientos de realización. Hay que tener precauciones especiales cuando los metales se someten a altas temperaturas, ya que en esta situación los metales son especialmente sensibles a la oxidación y a la contaminación por iones metálicos y por gases atmosféricos. Por esta razón, la mayoría de los puntos fijos trabajan en atmósferas inertes, normalmente con Argón, cuya presión es recomendable que sea 101325 hPa, para cumplir los requerimientos de la EIT-90 y evitar realizar correcciones adicionales.

Figura 4. Esquema de una célula de un punto fijo.

La figura 4 representa una construcción típica de un punto fijo, en la que el material (2) está contenido en un crisol cilíndrico de grafito de alta pureza (1), excepto para el mercurio, para el que se utiliza acero inoxidable o vidrio de borosilicato y para el galio, cuyos crisoles son contenedores de politetrafluorietileno (PTFE o teflón). Típicamente, los crisoles de grafito tienen unos 5 cm de diámetro y más de 20 cm de longitud, ya que es recomendable que los termómetros estén rodeados de, al menos, 20 cm de la sustancia del punto fijo, si se busca la mayor exactitud en las realizaciones. Los crisoles de grafito se introducen en contenedores de pyrex o cuarzo que llegan hasta el exterior del horno o del baño donde se realicen las mesetas. Se utilizan lanas de fibra cerámica (5) y discos de grafito (4) para aislar térmicamente las células y evitar flujos térmicos. En las células cerradas de indio, estaño, zinc, aluminio y plata se suele utilizar otro contenedor externo de aleaciones del tipo inconel que hace más sencilla su manipulación.

Todas las células de puntos fijos deben poder realizar una interfase continua líquido – sólido que, debe rodear el elemento sensible del termómetro que debe ser calibrado. En concreto, en las células de puntos fijos usadas en termometría de resistencia, deben inducirse dos interfases una externa que va creciendo lentamente según va solidificándose el líquido y otra interna, junto al pozo termométrico (3) que permanece esencialmente estática. Es la temperatura de esta interfase la que es medida por el termómetro.

Para una óptima realización de los puntos fijos, las células de los puntos fijos de los metales puros (Galio, Indio, Estaño, Zinc, Aluminio y Plata) deben ser abiertas y así poder fijar la presión de la atmósfera inerte a la que nos indica la EIT-90, para ello, cada célula debe estar equipada con una válvula o cualquier otro sistema que permita controlar y medir la presión en su interior. Las células cerradas, en las que la presión no puede ser medida, puede existir una presión incorrecta sobre el metal, con lo que las realizaciones de mesetas con ellas no pueden considerarse como óptimas, aunque presentan la ventaja de que su manipulación es más fácil.

Figura 5.

El termómetro de resistencia de platino

Los termómetros de resistencia de platino han ido extendiendo su campo de aplicación y en la actualidad, con diferentes diseños, abarcan un margen de trabajo en el rango desde -260 ºC a 962 ºC. Su buena estabilidad ha hecho que sean los sensores utilizados en procesos industriales en los que se requiere buena precisión, lo que se ha visto favorecido por el desarrollo de la electrónica y la construcción de puentes comparadores de resistencia y termómetros digitales que permiten su integración en sistemas de adquisición y control de datos

En 1821, Sir Humphry Davy descubrió que en los metales la resistividad aumentaba con la temperatura, lo que se explica a partir de la teoría de los electrones libres: los metales son buenos conductores debido a que los electrones no están ligados a los átomos y pueden moverse casi libremente por el metal cuando un gradiente eléctrico, magnético o térmico es aplicado externamente, generándose una corriente eléctrica.

En 1871 la relación temperatura-resistencia fue aplicada por primera vez para la medida de temperatura por Carl Wilhelm Siemens, quien diseño un prototipo de termómetro que fue utilizado por el físico inglés Hugo Longburne Callendar en experimentos de medidas de temperatura a través de la variación de la resistencia eléctrica del platino y que, a su vez, fue comparado con las lecturas de un termómetro de aire, dando lugar a la famosa ecuación de Callendar.

Callendar, por otro lado y en respuesta a los problemas de inestabilidad que presentaba el prototipo diseñado por Siemens, ideó otra forma de construcción del elemento sensible de platino, donde el hilo de platino se enrollaba entorno a un núcleo de mica formando un muelle y protegido por una vaina de vidrio donde se había hecho parcialmente el vacío, evitando así las tensiones mecánicas durante su uso.

Hoy en día los termometristas basan parte de su trabajo en las actividades de Callendar, quien proporcionó la base científica a la medida de temperaturas por medio de medidas de resistencia. Sus principios básicos de construcción, calibración e interpolación de termómetros perduran en la actualidad. Ahora bien, su ecuación de interpolación a bajas temperaturas proporcionaba resultados diferentes a los obtenidos por medio de la termometría de gas, por lo que, en 1925, Van Dusen propuso añadir un término adicional a la ecuación de Callendar, que mejoraba los resultados obtenidos para temperaturas bajas, y el éxito ha sido tal, que la ecuación Calendar – Van Dusen se viene utilizando desde entonces.

En la actualidad y para evitar la influencia de los cables de los termómetros en las medidas de temperatura los elementos sensibles de los termómetros son de cuatro hilos, (ver figura 6), aunque se pueden utilizar otro tipo de configuraciones. Los hilos de platino se sueldan a terminales de cobre que se aseguran en la parte superior del termómetro.

Figura 6. Termómetros de resistencia de platino

El uso de un termómetro por encima de la temperatura para la que fue diseñado puede producir errores por fugas eléctricas que, en general, desaparecen con el enfriamiento y los defectos irreversibles se deben, normalmente, a pérdidas del gas con el que están llenos por su difusión a través de las juntas o bien por la contaminación del hilo de platino. No es aconsejable utilizar el mismo termómetro como patrón para altas y para bajas temperaturas.

Como ya se ha comentado anteriormente, uno de los instrumentos de interpolación de la EIT-90 es el termómetro de resistencia de platino, pero siempre y cuando estén construidos con platino de la suficiente pureza como para verificar los requisitos impuestos en la misma EIT-90:

Donde W es lo que se conoce como valor de resistencia reducida del termómetro y que es el cociente entre el valor de resistencia del termómetro a una temperatura dada (en las ecuaciones anteriores en los puntos de fusión del galio y triple del mercurio) dividida por el valor de resistencia en el punto triple del agua. Si el termómetro se quiere utilizar hasta el punto de solidificación de la plata debe, además, cumplir:

La EIT-90 establece tres tipos de termómetros de resistencia de platino patrones (TRPP) como instrumentos de interpolación, los de tipo cápsula, los de varilla para temperaturas medias y bajas y los de varilla de alta temperatura. Y en todos los casos el hilo de platino debe montarse sin restricciones mecánicas, de forma que pueda deformarse (dilatarse y contraerse) libremente con los ciclos térmicos, sin sufrir tensiones mecánicas.

Los termómetros de resistencia de platino utilizados a nivel industrial (usualmente conocidos como Pt-100 por que su valor nominal de resistencia a 0 ºC es de 100 Ω) se construyen con platino de peor calidad que los anteriores. Tienen valores de W en el punto de ebullición del agua entre 1,385 a 1,3925. Su campo de medida va desde -200 ºC hasta 850 ºC. Su diseño los permite tener una reproducibilidad adecuada frente a choques, vibraciones, altas presiones y, en general, entornos más hostiles que a los TRPP, por lo que su uso es extenso en aplicaciones industriales, pero no cumplen los requisitos de la EIT-90. Son menos reproducibles que los TRPP, pero, en algunos casos, su reproducibilidad puede ser sólo un orden menor e incluso menos en rangos de temperatura restringidos.

Existe una amplia variedad de diseños de los que depende su calidad metrológica. Hay diversas normas nacionales e internacionales que regulan su fabricación, de las que la más importante es la IEC 751 (1983) con su modificación IEC 751/A2 (1995). Las tolerancias exigidas por las normas no pasan de 0,1 ºC; pero esto se puede mejorar eligiendo convenientemente el tipo de sensor y sometiéndolo a una calibración individual. Se calibran por comparación, en medios isotermos estables, a patrones de referencia

Se suelen fabricar a partir de hilo de platino montado sobre elementos cerámicos o vidrio y encapsulados o mediante depósitos de capa delgada de platino; estos últimos de menor reproducibilidad.

Los termómetros industriales presentan histéresis frente a ciclos térmicos, es decir, dependiendo de su “historia térmica” el valor de resistencia a una temperatura dada será diferente si el termómetro ha estado sometido a un calentamiento o si lo fue a un enfriamiento. Para diferentes diseños de termómetros, la histéresis puede ser muy distinta, por tanto es una característica que se debe tener en cuenta en las calibraciones y a la hora de utilizarlos.

Termistores

Existe un tipo de semiconductores fabricados a partir de óxidos de metales de transición que se conocen con el nombre genérico de “termistores”, esta palabra tiene su origen en la contracción de “thermally sensitive resistors”. Los termistores se desarrollaron ante la necesidad de compensar los cambios de resistencia en los circuitos electrónicos debido a las variaciones de la temperatura ambiente.

Los termistores presentan mejores estabilidadeses por debajo de 250 ºC y, por tanto, son de más interés en termometría. Están fabricados de mezclas de óxidos de manganeso y níquel o manganeso, níquel y cobalto, con un coeficiente de variación de temperatura con la resistencia negativo. Una de las grandes ventajas de los termistores es la gran variedad de formas y tamaños con que se pueden fabricar de una forma sencilla. Por este motivo, es complicado generalizar el comportamiento de los termistores, ya que depende de cada unidad en particular (no como sucede con la mayoría de los sensores de temperatura), por lo que es necesario acudir a la información que ofrecen los fabricantes.

Estos termómetros son muy utilizados, y en algunos casos pueden llegar a una estabilidad parecida a la de los termómetros de resistencia de platino industriales. Aunque se pueden usar a muy bajas temperaturas (incluso hasta el helio líquido) y a alta temperatura (500 ºC), su principal campo de aplicación se restringe entre -80 ºC y 250 ºC. Algunos incluso pueden llegar a ser considerados patrones secundarios, por sus buenas características, entre 0 ºC y 100 ºC. Éstos suelen estar encapsulados en vidrio para limitar el efecto de la humedad que los afecta mucho. Como el elemento sensible suele ir encapsulado en una vaina, el autocalentamiento 3 , el tiempo de respuesta y los errores por profundidad de inmersión dependen esencialmente de ella; aunque son del orden de las de los termómetros de platino industriales.

Termopares

Los termopares son uno de los instrumentos más utilizados en la medida de temperatura en la industria, especialmente en la del acero y la petroquímica, aunque los avances electrónicos les están haciendo perder terreno frente a los termómetros de platino. El principio físico de funcionamiento de los termopares es el efecto Seebeck: “Poniendo en contacto dos metales distintos a distinta temperatura, aparece una fuerza electromotriz en sus extremos”:

Figura 7. Esquema de un termopar.

Este fenómeno se puede explicar cualitativamente imaginado un metal como una red rígida de átomos entre los cuales fluye una red de electrones libres que pueden estar direccionados por gradientes eléctricos, magnéticos o térmicos. Como resultado de un gradiente de temperatura en un conductor, los electrones de la junta caliente viajan hacia la junta fría transmitiendo, a su paso, parte de su energía cinética a la red (este es el proceso de la conducción térmica), produciendo al mismo tiempo una diferencia de potencial. Esta diferencia de potencial se conoce como fuerza electromotriz (f.e.m.) termoeléctrica y se crea si y solo si existe un gradiente térmico.

De todos los tipos de termopares, los elaborados con platino en combinación con aleaciones de platino – rodio, oro o paladio, han demostrado ser los más reproducibles. Son resistentes a la oxidación en aire debido a sus altos puntos de fusión y pueden usarse a muy altas temperaturas. El más conocido del grupo es el tipo S (Pt/Pt-10%Rh) que fue instrumento de interpolación en las antiguas escalas internacionales. El tipo R (Pt/Pt-13%Rh) tiene características muy similares al tipo S aunque algo más de sensibilidad y ligeramente mejor reproducibilidad.

Por encima de 500 ºC las incertidumbres de calibración (en puntos fijos, no por comparación), para los termopares S y R no bajan de 0,2 ºC. Si se requiere mayor exactitud de medida es necesario utilizar el termopar de oro/platino que debido a que esta formado por dos hilos puros ha demostrado mejor estabilidad y homogeneidad y además presentan la gran ventaja de tener una sensibilidad mucho mayor (el doble del tipo S). Con precauciones, se pueden conseguir incertidumbres de 10 mK en el rango de 0 ºC a 1000 ºC. Para temperaturas superiores, el termopar de platino paladio es también más preciso que los de la familia del rodio por los mismos motivos.

El límite de uso de los termopares R y S en una atmósfera oxidante es de 1600 ºC (para hilos de 0,5 mm de diámetro). Para trabajar por encima de 1100 ºC en atmósfera oxidante es mejor utilizar el termopar tipo B (Pt-30%Rh/Pt-6%Rh) que es excepcionalmente estable en ese rango y puede ser usado hasta 1700 ºC.

Para los termopares tipos B, R y S la relación f.e.m versus temperatura se puede encontrar tabulada en la norma IEC 60584-1 2013

Los termopares de metales nobles pueden calibrarse por comparación en medios isotermos estables, pero también pueden calibrarse en puntos fijos, con lo que se consiguen las mejores incertidumbres de calibración (del orden de pocas décimas de grado). Como ya ha sido comentado, la fuerza electromotriz generada en un termopar es función de la diferencia de temperaturas entre la junta fría y la de medida, pero, más específicamente es generada como el resultado de los gradientes de temperatura que existen a lo largo de los conductores. Medidas efectivas y calibraciones son posibles sólo si la junta de medida y la de referencia están mantenidas en zonas isotermas y a una profundidad suficiente para evitar flujos térmicos, de este modo se puede asegurar que cada junta alcanza la temperatura de su entorno.

La magnitud de las fuerzas electromotrices depende de los materiales de los conductores usados en el termopar y de su estado. Cambios en la composición y condiciones de los materiales causados por contaminación, tensiones mecánicas o choques térmicos, también influyen y modifican la fuerza electromotriz y la calibración asociada. De cualquier forma, estos cambios influyen sólo si están localizados en una región con gradientes de temperatura y no son detectados en una recalibración si, por ejemplo, la zona del conductor alterada, está localizada en una zona isoterma.

También se utilizan habitualmente termopares de metales comunes, los más usados aparecen en la tabla 2.

Tabla 2. Termopares de metales comunes más habituales

Los termopares de metales comunes ofrecen mayores f.e.m. que las de los de metales nobles, pero no pueden llegar a temperaturas tan altas por los relativos bajos puntos de fusión de sus termoelementos (excepto el de tungsteno-renio). Los termopares normalizados en la IEC 60584-1 2013 , los tipo E, J, K, N y T; son los más utilizados en la industria. Se pueden utilizar montados en diversos tipos de vainas según sea su utilización. La forma habitual de calibración de los termopares de metales comunes es por comparación en un medio isotermo estable a otros termopares. El número de puntos necesario es superior al del caso de termopares de metales nobles por la mayor complejidad de sus ecuaciones de referencia y por que hay más factores que pueden influir en que sus comportamientos reales se diferencien mucho de los establecidos.

Termómetros de columna de líquido

Aunque el uso de los termómetros de columna de líquido es cada día más reducido, aun es un termómetro de uso común. A pesar de ser instrumentos de precisión limitada, los mejores, usados con cuidado, pueden conseguir incertidumbres de calibración de algunos milikelvin. Entre sus ventajas se encuentran su fácil transporte, robustez, bajo coste, compatibilidad con diferentes medios, etc. Su rango de uso más frecuente va desde -40 ºC a 250 ºC. Entre sus inconvenientes están las grandes dimensiones de su elemento sensible, la imposibilidad de lectura automática, gran constante de tiempo e histéresis.

Las principales partes de un termómetro de columna de líquido son (ver figura 8):

  • Capilar: cavidad cilíndrica de vidrio por la que asciende o desciende el correspondiente líquido termométrico, cuando se eleva o se disminuye la temperatura, respectivamente.
  • Bulbo: Reserva del correspondiente líquido termométrico de vidrio de paredes delgadas. Contiene el líquido termométrico necesario para el número de grados que indica la escala principal.
  • Escala principal: Escala donde se lee la temperatura indicada por el termómetro. Está graduada en grados Celsius o múltiplos o submúltiplos de grados.
  • Escala auxiliar: Escala corta adicional de algunos termómetros, que no está incluida en el rango de la escala principal, que se usa para comprobaciones periódicas de la medida de temperatura del termómetro a una temperatura de referencia (p. e. punto del hielo).
  • Línea de inmersión: Indica qué parte por encima del bulbo debe ser sumergida en el medio de temperatura controlada para una indicación correcta de la medida de temperatura en el caso de termómetros de inmersión parcial.

Figura 8. Esquema de un termómetro de columna de líquido

Algunos termómetros tienen también una cámara de expansión, que consiste en un ensanchamiento del capilar localizado por encima de la escala principal, lo que previene posibles presiones excesivas del líquido sobre el bulbo. También puede existir una cámara de contracción, ensanchamiento del capilar por debajo de la escala principal o entre la escala principal y la escala auxiliar. Esta cámara sirve para reducir la longitud de capilar necesario para alcanzar la escala principal.

El rango de un termómetro de columna de líquido viene limitado por el líquido, el vidrio y el diseño. El líquido más usual, hasta la presente prohibición de uso, ha sido el mercurio entre -38 ºC hasta 350 ºC. Aleaciones de mercurio y talio se utilizan para llegar a -56 ºC y para temperaturas inferiores, hasta -200 ºC, se usan líquidos orgánicos.

3 El autocalentamiento de un termómetro es una consecuencia de la necesidad del paso de una corriente eléctrica por un hilo para medir su resistencia, lo que provoca un calentamiento del sensor y una consiguiente disipación de calor en el medio donde se encuentre el mismo.

Existen tres grandes tipos de termómetros de columna de líquido diferenciados por sus características de inmersión (ver figura 9):

  • Termómetros de inmersión parcial: llevan grabada una marca que indica hasta donde deben ser sumergidos.
  • Termómetros de inmersión total: se usan con toda la columna de líquido sumergida.
  • Termómetros de inmersión completa: se usan completamente sumergidos.

De ellos, el termómetro de inmersión total es el de mayor exactitud y debe usarse siempre que sea posible, el menos común es el de inmersión completa.

Figura 9. De izquierda a derecha: termómetro de inmersión parcial, total y completa.

El principio de funcionamiento de un termómetro de columna de líquido es la expansión térmica. Cuando aumenta la temperatura del bulbo del termómetro, el líquido y el vidrio que lo contiene se dilatan con diferentes coeficientes de dilatación, lo que origina un avance del líquido (columna) por el capilar del vidrio. La parte superior de la columna de líquido se denomina menisco y logra su reposo cuando la temperatura del bulbo es igual a la del medio. La temperatura puede ser leída, entonces, por la posición del menisco en una escala dibujada sobre el vidrio del termómetro. La reserva de líquido está contenida en el bulbo, que contiene un volumen de líquido equivalente a un número específico de grados de la escala, dependiendo de los coeficientes de expansión del líquido y el vidrio.

La calibración de este tipo de termómetros se realiza también por comparación en medios isotermos y consiste en la determinación de las correcciones de los valores de temperatura indicados por el termómetro en distintos puntos de la escala tomando como referencia la temperatura indicada por los patrones utilizados.

Conclusión

En este artículo se han presentado la forma de realización y diseminación de la unidad de temperatura termodinámica de acuerdo con la EIT-90 entre -218 ºC y 962 ºC, así como los principales termómetros de contacto utilizados tanto en industria como en investigación. No se ha pretendido hacer un repaso exhaustivo de todos los termómetros de contacto existente sino de los tipos más habituales. Puede encontrarse más información en las referencias que se incluyen.

Referencias
  • [1] “Escala Internacional de Temperatura de 1990; versión española”, 2ª ed. CEM (2000).
  • [2] Techniques for approximating the International Temperature Scale of 1990; H. Preston-Thomas, T. J. Quinn; BIPM (1990).
  • [3] Supplementary information for the International Temperature Scale of 1990; H. Preston-Thomas, P. Bloembergen, T. J. Quinn; BIPM (1990).
  • [4] Temperature; T.J. Quinn; 2ª ed. Academic Press (1990).
  • [5] Principles and methods of temperature measurement; T. D. McGee; John Wiley & Sons
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…la cantidad de luz que emiten las lámparas se mide en lúmenes?

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