Instrumentos de medición: Termometría

Ana Sofía Padilla Alva

En el ámbito metrológico contamos con múltiples magnitudes que utilizamos en el día a día, sin embargo, éstas no están sólo reservadas para los científicos e ingenieros. En la vida cotidiana de todas las personas estamos en constante uso y aplicación de las diferentes magnitudes, por ejemplo, medimos el tiempo para saber a qué hora nos levantamos o cuánto tiempo hacemos de un lugar a otro, medimos nuestra presión arterial cuando no nos sentimos tan bien, medimos la velocidad a la que marcha nuestro automóvil, nuestra temperatura corporal cuando creemos que estamos enfermos.
Es por todo esto que a lo largo del tiempo se han desarrollado diferentes equipos e instrumentos que nos permiten cuantificar de manera visible estas magnitudes. En este artículo abordaremos la magnitud de temperatura y nos enfocaremos especialmente en los termómetros.

Definiciones importantes

Definir una magnitud no es tarea sencilla, sin embargo, gracias al constante estudio de grandes científicos se ha podido constituir un Sistema Internacional de Unidades (SI), en donde podemos encontrar sus definiciones y otros aspectos importantes de ellas.
Por definición del SI, temperatura es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua (punto en el cual el vapor de agua, el hielo y el agua líquida coexisten en equilibrio). La unidad establecida por el SI para representar la temperatura es el Kelvin.
El Kelvin, propuesto por el científico William Thompson Kelvin, quien en 1848 diseña una nueva escala, tomando como referencia la escala Celsius y prolongándola hasta el cero absoluto. El cero absoluto está definido como la temperatura que corresponde a la ausencia completa de energía calórica, es decir cuando las moléculas y átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica posible. Esta temperatura de 0 K o cero absoluto, correspondería a -273,15 °C.
Quizás te preguntes qué pasa con las otras dos escalas de temperatura que
escuchamos normalmente, como lo son los grados Celsius y los grados Fahrenheit.
La escala Celsius data del año 1742, cuando el científico Andrés Celsius decide tomar como referencia el agua, y toma su punto de congelación y su punto de ebullición, creando una escala de 100 partes iguales entre estos dos límites.
Por otro lado, tenemos los grados Fahrenheit establecidos por el científico Daniel Gabriel Fahrenheit en 1724. A diferencia de los grados Celsius, la escala de Fahrenheit divide los marcadores del punto de ebullición y congelación del agua en 180 partes iguales.
Todas estas definiciones y constantes relacionadas entre sí nos han llevado a la materialización de instrumentos de medida que nos permiten cuantificar cada magnitud y poder asignarle un valor numérico convencional. Es el caso de los termómetros.

Ilustración 1. Diferencias de puntos en las escalas Celsius, Fahrenheit y Kelvin

Tipos de termómetros

Hemos visto ya la definición de temperatura por el SI, y también de las diferentes escalas que tenemos para medir la temperatura.
Y ahora es turno de clasificar el instrumento que nos permite cuantificar visiblemente la temperatura en sus diferentes escalas.
La historia del termómetro no es nada reciente, pues se remonta al siglo XVII cuando el famoso científico Galileo Galilei inventa un aparato llamado termoscopio, que, aunque no se parece en absoluto a lo que conocemos hoy en día, le da las bases, pues tiene el mismo objeto y principio, el de medir la temperatura de algún cuerpo u objeto. Este termoscopio era básicamente un cilindro de vidrio cerrado por los extremos, en el interior tenía una mezcla de agua y alcohol, y flotando unas esferas de colores etiquetadas con “grados de calor”.
Un termómetro es un dispositivo o instrumento que capta las variaciones de la temperatura de un cuerpo u objeto y lo expresa de manera que el ser humano puede leer, pudiendo ser mediante una lectura visual en una pantalla, el cambio de color en una imagen, el aumento de volumen de cierto líquido, etc.
Existen diferentes tipos de termómetros y a continuación explicaremos algunos de ellos:

Termómetro de líquido en vidrio
Los termómetros de líquido en vidrio o TLV, son aquellos compuestos por un tubo de vidrio donde un líquido se expande al aumentar la temperatura y se puede apreciar la indicación sobre una escala graduada.
Su funcionamiento está basado en la expansión del líquido que contiene en su interior a raíz del incremento en la temperatura. Es aquí donde el líquido se comportará como transductor y convertirá la energía térmica en una forma mecánica. Los diferentes coeficientes de expansión de los materiales del TLV ocasionan que el líquido se mueva por el tubo capilar.

Ilustración 2. Partes de un TLV

Existen diferentes tipos de líquidos para los TLV, por ejemplo, el mercurio, el alcohol, tolueno, pentano, etc.
Es muy probable que todos tengamos un termómetro de mercurio en casa, con el que nuestras madres solían medir nuestra fiebre cuando enfermábamos.
La calibración para este tipo de instrumentos suele realizarse bajo el procedimiento de comparación directa con otro termómetro patrón calibrado, dentro de una fuente termal recirculante con líquido, sales o lecho fluidizado. Ya dependiendo de la exactitud que se busque se pueden utilizar termómetros de resistencia de platino o algún otro termómetro trazable y de baja incertidumbre.

Pirómetros
Un pirómetro es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin la necesidad de entrar en contacto con ella. La capacidad de medición de un pirómetro oscila entre los -50°C hasta por encima de los 4000°C.
En la realidad, cualquier objeto que supera los 0 K emite una radiación térmica, la cual será captada y evaluada.
Existen diferentes tipos de pirómetros que son utilizados en diferentes situaciones. Tenemos pirómetros de radiación, pirómetros ópticos y pirómetros infrarrojo.
Básicamente un pirómetro de radiación funciona bajo la ley de Stefan Boltzmann, la cual afirma que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo.
Algunas de las características de un pirómetro son la medición sin contacto, la alta precisión en sus mediciones, el amplio espectro de °C que mide, la rápida velocidad de respuesta, el bajo costo de uso y mantenimiento y el enorme versatilidad y posibilidad de usos debido al trabajo a distancia.
Un pirómetro está formado por un sistema óptico que recoge la energía emitida por el objeto, un detector que convierte dicha energía en una señal eléctrica, un sistema que ajuste la emisividad para hacer coincidir la lectura del termómetro con las características de emisión específicas del objeto y un circuito de compensación de la temperatura ambiente que garantizaba que las variaciones de temperatura dentro del sensor debidas a las condiciones ambientales no afectarán a la precisión.

Ilustración 4. Partes de un pirómetro

Termómetros con lámina bimetálica
Los termómetros con lámina bimetálica miden la temperatura por medio de un mecanismo que contiene dos tipos diferentes de metal, los cuales se contraerán o dilatarán y de esta forma se indica la temperatura del objeto
Las láminas deben estar compuestas con diferentes coeficientes de dilatación, uno muy alto y otro muy bajo. La lámina bimetálica se encuentra formando una espiral en el interior de un tubo. Esta espiral se encuentra soldada de un extremo a otro de ese capilar, sujeta a una varilla de transmisión y esta varilla está soldada a una aguja que indica la temperatura del objeto.

Ilustración 3. Partes de un termómetro bimetálico

Los termómetros bimetálicos se utilizan en situaciones donde se debe medir la temperatura de sustancias agresivas o peligrosas.

Termómetros de gas
Los termómetros de gas, comúnmente utilizados en la industria, contienen en su interior un gas, que regularmente es nitrógeno, es por esto su nombre.
Los termómetros de gas constan de varias partes. Primero tenemos un elemento encargado de medir la presión y este se conecta a un capilar. Al mismo tiempo este elemento debe ir conectado a una ampolla, la cual se expone a la temperatura que se desea medir.

Ilustración 5. Partes de un termómetro de gas

Para iniciar el funcionamiento de este dispositivo es necesario llenarlo de gas a presión. El gas se encuentra en la ampolla y, dependiendo de la temperatura, el gas empujará unas agujas, las cuales indicarán la lectura de la temperatura.
Su rango de medición va desde los -268°C a los 538°C aproximadamente, y por lo regular se utilizan para comprobar la función de otros termómetros, gracias a que poseen una alta precisión y rango de medición.

Termómetros de resistencia
Los termómetros de resistencia se remontan al siglo XIX, cuando se descubre que la resistencia eléctrica de un objeto varía en función de la temperatura.
En 1871, Wilhelm Siemens hace una propuesta, en donde se podía medir la temperatura con platino. Pero es hasta el siglo XX, cuando se inventa el termómetro de resistencia, utilizando el principio de platino que propuso Siemens.
Sin embargo, aunque Siemens propuso utilizar platino, hoy en día el material utilizado puede variar, existen algunos modelos que utilizan el cobre o el tungsteno. Aunque el platino es considerado el material idóneo.
El funcionamiento de un termómetro de resistencia es muy particular, pues toman la temperatura en referencia al comportamiento del platino, o del metal utilizado. El metal, va ligado a una resistencia eléctrica, que cambiará.

Ilustración 7. Partes de un termómetro de resistencia

Los termómetros de resistencia suelen tener una amplia capacidad de medición, la cual va de -200°C a los 1760°C. se suelen utilizar para tomar la temperatura en exteriores.

Termopares
Los termopares son instrumentos parecidos a los termómetros de resistencia, pues miden la temperatura a partir de una resistencia eléctrica que produce un determinado voltaje, el cual varía dependiendo de la temperatura.
Un termopar consta de dos hilos de metal, los cuales se encuentran unidos de un solo extremo. Dicha unión actúa como el punto de medición, mientras que los otros extremos se les llama junta fría y junta caliente.
Estos extremos o juntas se colocan en el objeto al cual se desea medir la temperatura, haciendo que el punto de medición se caliente y provoque una tensión eléctrica, la cual se traduce en un voltaje que será proporcional a la temperatura.

Ilustración 8. Partes de un termopar

Estos pares térmicos o termopares tienen una aplicación de laboratorio debido a su reacción rápida y eficaz.

Termómetros digitales
Los termómetros digitales, son comúnmente asociados a los que tenemos en las casas y el ámbito clínico, por su facilidad de uso y rapidez de lectura. Han sido el remplazo más popular de los termómetros de mercurio. Pero también debemos recordar que los termómetros digitales son todos aquellos que no son TLV o pirómetros digitales, es decir, todos aquellos que nos dan las lecturas en un display o pantalla de manera electrónica.
Los termómetros digitales al igual que nuestros últimos dos ejemplares, captan la energía a través de una resistencia, la cual lo transforma en una corriente eléctrica que viaja a través de un circuito interno. Esta corriente eléctrica se transforma en los valores de temperatura que podemos leer en el display o pantalla.

Ilustración 9. Ejemplo de un TLD digital

Los termómetros digitales varían en tamaño y forma y sus aplicaciones se encuentran en la industria, hogar, acuarios, repostería, jardinería, veterinaria, etc. Algunas ventajas de estos termómetros es su capacidad de registro de las lecturas en una memoria interna, además de luz y sonido para clasificar las lecturas.

Importancia de la calibración en termómetros

Ahora que ya revisamos los diferentes tipos de termómetros con los que nos podemos encontrar, sería necesario evaluar la necesidad e importancia que tiene realizar calibraciones periódicas a estos instrumentos.
Como ya vimos los usos y aplicaciones de los termómetros varían mucho y trascienden entre diferentes ámbitos de nuestras vidas, desde la industria hasta lo médico.
Conocer los errores de nuestros instrumentos nos puede ayudar a evitar errores en nuestros procesos, pero también si lo vemos desde la parte médica, a salvar vidas.
Recalcaremos la importancia de la calibración utilizando dos ejemplos. El primero imaginemos una fábrica de PET, en donde el plástico que se utiliza pasa por distintos procesos que lo elevan a temperaturas distintas de acuerdo con la etapa en la que se encuentre. Imaginemos dos escenarios diferentes, uno con un termómetro calibrado y otro con un termómetro sin calibrar. La escena se desarrolla en la etapa donde se debe fundir el plástico para introducirlo a los moldes que formaran cada botella, este punto de fusión en el plástico deberá tener una temperatura máxima de 190°C. Ahora, con el termómetro calibrado conocemos nuestro error supongamos que es de ±3°, los operadores del proceso pueden realizar las correcciones pertinentes para observar las lecturas del termómetro y evitar que el plástico sobrepase la temperatura máxima permitida y que el plástico y todo el proceso se vea comprometido.
En cambio, qué pasaría si no conocemos el error de nuestro instrumento, el operador tendría una lectura incorrecta de la temperatura del plástico y podría sobrepasar la temperatura máxima, estropeando el plástico y generando costos indebidos para el proceso, de tiempo y dinero.
Ahora veamos el ejemplo del área médica, digamos que tenemos un termómetro digital con un error de -1.5°C. de igual manera tenemos dos escenarios, el termómetro calibrado, del cual conocemos su error y el termómetro sin calibrar. Imaginemos que un paciente ingresa con una fiebre muy alta y el médico procede a tomar la temperatura para decidir los pasos siguientes en el tratamiento. En el primer escenario del termómetro calibrado, el doctor sabe corregir las lecturas del termómetro, por lo que, si la lectura del paciente es de 38°, él sabe que la temperatura real del paciente es de 39.5°C, por lo que puede tomar las medidas necesarias y atender de manera rápida y eficaz al paciente en urgencia. Por el otro lado si el doctor desconociera el error del instrumento y tuviera la lectura de 38°C, aunque igual indica una fiebre, es de menor intensidad y quizá tomaría un curso mucho más relajado en el tratamiento, cuando en realidad el paciente tiene una fiebre muy elevada y puede complicar de sobre manera la salud, ocasionando repercusiones y alteraciones mayores.

Conclusiones

Ya que analizamos estos dos ejemplos, podemos ver la gran importancia que tiene el calibrar periódicamente nuestros instrumentos, no sólo por ser un requerimiento de normas nacionales, si no por la ética y el buen manejo de nuestros procesos y procedimientos.
Por otra parte también, además de calibrar, es necesario conocer nuestros procesos y las normas que debemos cumplir para elegir adecuadamente los equipos que utilizamos y adquirimos. Asesorarnos con los expertos nos puede ayudar a reducir costos derivados de errores en la elección de un instrumento de medición. Al igual
que calibrar con laboratorios acreditados, respaldados por entidades que avalan la calidad en sus servicios y las buenas prácticas.

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Bibliografía
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