Trabajo de investigación medición de temperatura

Velocidad del sonido en cavidad acústica

La velocidad del sonido es la dinámica de propagación de las ondas sonoras.

En la atmósfera terrestre es de 343 m/s (a 20 °C de temperatura, con 50 % de

humedad y a nivel del mar). La velocidad del sonido varía en función del medio

en el que se trasmite. Dado que la velocidad del sonido varía según el medio,

se utiliza el número Mach 1 para indicarla. Así un cuerpo que se mueve en el

aire a Mach 2 avanza a dos veces la velocidad del sonido en esas condiciones,

independientemente de la presión del aire o su temperatura.

La velocidad del sonido varía también ante los cambios de temperatura del

medio. Esto se debe a que un aumento de la temperatura se traduce en un

aumento de la frecuencia con que se producen las interacciones entre las

partículas que transportan la vibración, y este aumento de actividad hace

aumentar la velocidad.

Se describe un experimento de medida de la velocidad del sonido mediante un

resonador de Helmholtz. Su frecuencia de resonancia depende de las

dimensiones de la cavidad y de la velocidad de propagación del sonido.

Un resonador ideal consiste en una cavidad de

volumen V con un cuello de área S y de

longitud L. Si la longitud de onda l es mucho

más grande que sus dimensiones L, S1/2 y V1/3,

el aire del cuello se mueve como un bloque de

masa m.

El aire contenido en el gran volumen V0 actúa

como un muelle de constante elástica k que

está unido a un bloque de masa m que es el

aire del cuello de la botella.

k es la constante elástica y m la masa del volumen de aire del cuello de la

botella. En este caso se evaluara la validez del modelo por su grado de

acuerdo con los resultados experimentales que obtengamos. Recordemos que

el módulo de compresibilidad κ de un gas se define como:

Presión de Vapor

La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o liquido se

hallan en equilibrio dinamico con su fase vapor.

Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen

así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también

llamada, fuerza elástica o tensión. Para determinar un valor sobre esta

presión  se divide la fuerza total por la superficie en contacto.

La regla de fases establece que la presión del vapor de un líquido puro es

función única de la temperatura de saturación. Vemos pues que la presión de

vapor en la mayoría de los casos se  puede expresar como

Pvp = f (t)

Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las fuerzas

de atracción intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las

mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma

de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado.La

presión de vapor es medida en unidades estándar de presión. El Sistema

Internacional de Unidades (SI) reconoce a la presión como una unidad derivada

de la fuerza ejercida a través de un área determinada, a esta unidad se le

conoce por el nombre de Pascal (Pa). Un pascal es equivalente a

un newton por metro cuadrado (N·m-2 ó kg·m-1·s-2).

La medición experimental de la presión de vapor es un procedimiento simple

para presiones similares que estén entre 1 y 200 kPa. Resultados más exactos

son obtenidos cerca del punto de ebullición de cada sustancia en particular y

con índice de error más significativo en mediciones menores a 1 kPa. Con

frecuencia, algunos procedimientos consisten en purificar las sustancias que

son analizadas, aislando la sustancia deseada en un contenedor, evitando

cualquier gas indeseado y midiendo la presión de equilibrio de la fase gaseosa

de la sustancia en el sistema cerrado a distintas temperaturas. El uso de

herramientas como un isoteniscopio genera una mayor exactitud en el proceso.

Termómetro de resistencia de germanio

Termometro de resistencia de carbón

Termómetro de resistencia de alta sensibilidad para medir temperaturas en la

zona de 0,05-20 °K; capaz de medir cambios de temperatura del orden de 10-5

°K.

Termometro de gas

El termómetro de gas de volumen constante es muy preciso, 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.

Unión de silicón P-N

Se denomina unión P-N a la estructura fundamental de los componentes

electrónicos comúnmente denominados semiconductores.

Principalmente diodos y transistores. Está formada por la unión metalúrgica de

dos cristales, generalmente de silicio (Si), aunque también se fabrican

de germanio (Ge), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico.

Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro

intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal o

compuesto químico.

En una unión entre un semiconductor p y uno n, a temperatura ambiente,

los huecos de la zona p pasan por difusión hacia la zona n y los electrones de

la zona n pasan a la zona p.

En la zona de la unión, huecos y  electrones se recombinan, quedando una

estrecha zona de transición con una distribución de carga debida a la presencia

de los iones de las impurezas y a la ausencia de huecos y electrones.

Se crea, entonces un campo eléctrico que produce corrientes de

desplazamiento, que equilibran a las de difusión. A la diferencia de potencial

correspondiente a este campo

eléctrico se le llama potencial de

contacto V0.

Termistores

Es un dispositivo semiconductor cuya resistencia es sensible a los cambios de

temperatura

Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa

en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la

temperatura. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor.

Existen dos tipos de termistor:

NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura

negativo

PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura

positivo (también llamado posistor).

Cuando la temperatura aumenta, los tipo PTC aumentan su resistencia y los

NTC la disminuyen.

Son fabricados a partir de los óxidos de metales de transición (manganeso,

cobalto, cobre y níquel) los termistores NTC  son semiconductores

dependientes de la temperatura. Operan en un rango de -200º C a + 1000° C.

Un termistor NTC debe elegirse cuando es necesario un cambio continuo de la

resistencia en una amplia gama de temperaturas. Ofrecen estabilidad

mecánica,  térmica y eléctrica, junto con un alto grado de sensibilidad.

La excelente combinación de precio y el rendimiento ha dado lugar a una

amplia utilización de los termistores NTCs en aplicaciones  tales como

medición y control de temperatura, compensación de temperatura y medición

del flujo de fluidos.

Oscilador de Cristal de Cuarzo

El cristal de cuarzo es utilizado como componente de control de la frecuencia

de circuitos osciladores convirtiendo las vibraciones mecánicas en voltajes

eléctricos a una frecuencia específica. 

Esto ocurre debido al efecto "piezoeléctrico". La piezo-electricidad es

electricidad creada por una presión mecánica. En un material piezoeléctrico, al

aplicar una presión mecánica sobre un eje, dará como consecuencia la

creación de una carga eléctrica a lo largo de un eje ubicado en un ángulo recto

respecto al de la aplicación de la presión mecánica. 

En algunos materiales, se encuentra que aplicando un campo eléctrico según

un eje, produce una deformación mecánica según otro eje ubicado a un ángulo

recto respecto al primero. 

Por las propiedades mecánicas, eléctricas, y químicas, el cuarzo es el material

más apropiado para fabricar dispositivos con frecuencia bien controlada. 

La siguiente figura muestra la ubicación de elementos específicos dentro de

una piedra de cuarzo.

De los cortes que se pueden hacer, el corte "AT" es el más popular y es

fabricado hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente

estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura. 

Termómetro de resistencia de Platino

Termocupla

Es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce

una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es

función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado

punto caliente o unión caliente o de medida y el otro llamado punto frío o unión

fría o de referencia (efecto Seebeck).

Normalmente los termopares industriales están compuestos por un tubo

de acero inoxidable u otro material. En un extremo del tubo está la unión, y en

el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda

de aluminio (cabezal).

En instrumentación industrial, los termopares son usados como sensores de

temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y

son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación

está en la exactitud, pues es fácil obtener errores del sistema cuando se trabaja

con precisiones inferiores a un grado Celsius.

El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila.

Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones

de calefacción a gas

Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de

las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas són del tipo J

ó del tipo K. Las termocuplas tipo J se usan principálmente en la industria del

plástico, goma (extrusión e inyección ) y fundición de metales a bajas

temperaturas (Zamac, Aluminio).

La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas

menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos

térmicos. Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusívamente en la industria

siderúrgica (fundición de acero) Finálmente las tipo T eran usadas hace algún

tiempo en la industria de alimentos, pero hán sido desplazadas en esta

aplicación por los Pt100.

Tabla. Tipos de Termocuplas

Velocidad del sonido en varilla metalica

Un diapasón es una varilla metálica en

forma de U. El sonido emitido por el

diapasón contiene una sola frecuencia que

viene grabada en este dispositivo.

Conocida la frecuencia del diapasón se

puede determinar la velocidad de

propagación del sonido en el aire, mediante

el dispositivo esquematizado en la figura.

Disponemos de un recipiente de agua cuyo

nivel podemos graduar. Situamos el

diapasón muy cerca del recipiente y lo

hacemos vibrar.

Hacemos descender el nivel del agua hasta

que se perciba resonancia, es decir, una

intensidad del sonido máxima.

Medimos la longitud L de la parte vacía y

con estos datos se puede calcular la

velocidad de propagación del sonido en el

aire.

La velocidad el sonido en la varilla metálica vm es

vm =f·lm

Donde f es la frecuencia y lm es la longitud de onda en la varilla. Como vemos

en la figura lm=160 cm

La velocidad del sonido en el aire va es

va =f·la

Donde f es la frecuencia que no ha cambiado al pasar del metal al aire, y la es

la longitud de onda en el aire.

Eliminando la frecuencia en estas dos ecuaciones, obtenemos la velocidad del

sonido en la varilla en términos de la velocidad el sonido en el aire va.

Se mide la distancia ente nodos d=la/2, para varias posiciones del disco

desplazable. Con este dato y la velocidad del sonido en el aire se determina la

velocidad del sonido en la varilla metálica vm.

Medicion de varilla Metalica

Termómetro líquido en vidrio

Su operación está basada en la expansión del líquido con el incremento de la

temperatura; esto es, el líquido actúa como un transductor, convierte la energía

termal en una forma mecánica. Con el incremento de la temperatura, el líquido

y el vidrio del termómetro se expanden con diferente coeficiente de expansión,

causando que el líquido avance por el tubo capilar. Las partes principales de un

termómetro de líquido en vidrio típico se muestran en la figura.

Figura. Termómetro de líquido en vidrio.

El menisco es usado como el indicador. La forma del menisco es: para el

mercurio, la parte superior de la curva, para líquidos orgánicos, la parte inferior.

Cuando las fuerzas adhesivas son mayores que las fuerzas cohesivas, el

menisco tiende a ser cóncavo como en el caso de vidrio y líquidos orgánicos.

Por otra parte cuando las fuerzas cohesivas son superiores a las adhesivas, el

menisco es convexo como en el caso de mercurio en vidrio.

Fig. Forma de meniscos.

Un termómetro de lámina bimetálica o termómetro bimetálico 

Es un dispositivo para determinar la temperatura que aprovecha el

desigual coeficiente de dilatación de dos láminas metálicas de diferentes

metales unidas rígidamente (lámina bimetálica). Los cambios de temperatura

producirán en las láminas diferentes expansiones y esto hará que el conjunto

se doble en arco.

En la práctica, las dos láminas anteriormente mencionadas se suelen bobinar

en espiral o en forma helicoidal, dejando un extremo libre al que se suelda un

índice o es solidario con una aguja indicadora que muestra, realmente, la

rotación angular de la misma sobre una escala graduada en grados

centígrados o Fahrenheit. La ventaja de los termómetros bimetálicos sobre los

líquidos es su mayor manejabilidad y su gran abanico de medidas. Son

ampliamente utilizados en la industria textil y constituyen el fundamento

del termógrafo, ampliamente utilizado en estaciones meteorológicas.

El órgano sensible está formado esta por dos láminas metálicas escogidas

entre metales que tenga sus coeficiencentes de dilatación lo más dispares

posibles y están soldados una contra la otra a lo largo de toda su longitud.

Cuando la temperatura varía, una de las láminas se dilata más que la otra,

obligando a todo el conjunto a curvarse sobre la lamina más corta. La lámina

bimetálica puede inicialmente estar enrollada en espiral. En este caso la lámina

interior esta hecha del metal que se dilata más. De esta forma, cuando la

temperatura aumenta la espiral se desenrolla. El movimiento se aplica un

sistema de sujetas a la extremidad de la espiral y que termina en una aguja que

indica la temperatura. Este principio se usa generalmente en los termógrafos

para obtener un registro continuo de la temperatura. 

Termómetro de radiación total

Son los que miden la temperatura captando toda o una granparte de la

radiación emitida por el cuerpo. Los pirómetros de radiación total para uso

industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido

de diversas formas. El medio de enfocar la radiación que llega puede ser una

lente o un espejo cóncavo. Determinan la temperatura de una superficie en

base a la ley de Stefan- Boltzamann, es decir consideran la radiación es decir

que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo. Dtereminan la

temperatura de una superficie en base a la ley Stefan-Boltzamann, es decir

consideran la radiación emitida por la superficie en todas las longitudes de

onda.

Fig. . Esquema simplificado de un pirómetro de radiación

Termómetro de Radiación Selectiva Espectral

Los pirómetros ópticos se emplean para medir temperaturas de objetos sólidos

que superan los 700ºC. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian

suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del

llamado fenómeno del color de incandescencia. El color con el que brilla un

objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega

casi al blanco a unos 1 300º C. Este tipo de pirómetros utilizan un método de

comparación como base de operación. En general, una temperatura de

referencia es proporcionada en forma de un filamento de lámpara

eléctricamente calentada, y la medición de temperatura es obtenida

comparando de manera óptica la radiación visual del filamento contra la de la

fuente de calor a medir. En principio, la radiación de una de las fuentes, como

la ve el observador, es ajustada hasta coincidir con la radiación de la otra

fuente. Existen dos métodos: 1) La corriente a través del filamento es

controlada eléctricamente mediante un ajuste de resistencia, o 2) la radiación

aceptada por el pirómetro de la fuente desconocida es ajustada ópticamente

mediante algún aparato absorbente como un filtro polarizante. En ambos casos

el ajuste es requerido para la lectura de la temperatura.

La siguiente figura ilustra de forma esquemática la estructura de un pirómetro

de intensidad variable.

Fig.  Diagrama Esquemático de un pirómetro óptico

En uso, el pirómetro es puesto en dirección de la fuente u objeto a analizar a

una distancia adecuada para que la lente del pirómetro enfoque la fuente en el

plano del filamento. La ventanilla de enfoque es ajustada de tal forma que el

filamento y la fuente aparezcan uno puesto sobre otro. En general, el filamento

aparecerá más caliente que la fuente o más frío que ella como se muestra en la

figura 4. Ajustando la corriente en la batería, el filamento debe de hacerse

desparecer como se ejemplifica en la figura 4c. La corriente medida en el

indicador conectado a la lámpara y a la batería es usado para asignar la

temperatura de la fuente.