Mecanismos de Transferencia de Calor

Conducción térmica: Mecanismo de transferencia que consiste en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferentes temperaturas, debido a la agitación térmica de las moléculas, no existiendo un desplazamiento real de estas. Está gobernada por la ley de Fourier.

Convección térmica

Convección térmica: Transmisión de calor con movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este fenómeno solo se da en fluidos como consecuencia de la mezcla entre sus masas. El movimiento en los fluidos provoca el desplazamiento de las partículas de forma que el calor se transporta sin interrumpir la continuidad física. Está gobernada por la ley de enfriamiento de Newton.

Tipos de Convección

• Convección natural: La velocidad del fluido viene marcada únicamente por la temperatura de la superficie.
• Convección forzada: La velocidad del fluido es marcada por un mecanismo externo (ventiladores, bombas, etc.).

Radiación térmica

Radiación térmica: Transmisión de calor entre cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas mediante la radiación de ondas electromagnéticas. Se produce sin que exista contacto entre ellos. Está gobernada por la ley de Stefan-Boltzmann.

Comparación NTC vs RTD

• Sensibilidad: NTC tiene una sensibilidad mucho más elevada (3-15 veces, según temperatura), lo que permite detectar variaciones más pequeñas de temperatura, aun con una electrónica de acondicionamiento de menor calidad.
• Resistencia: NTC presenta una resistencia sensiblemente superior. No se producen errores importantes por la resistencia de los cables de conexión al circuito.
• Tamaño: Menor tamaño, reducido tiempo de respuesta, poco invasivo y posibilidad de integración en otros dispositivos.
• Precio: Menor precio.
• Exactitud: Menor exactitud, aunque puede ser bastante alta si se utiliza una aproximación adecuada a su ley de variación de resistencia y una calibración.
• Linealidad: No son lineales, lo que dificulta la interpretación de la temperatura, lo que puede ser un problema en sistemas simples.
• Rango de temperatura: Menor rango de temperatura.

Efectos Termoeléctricos

• Efecto Seebeck: Si en un circuito formado por la unión de dos metales, establecemos una diferencia de temperatura entre las uniones, se genera una corriente eléctrica. Esto es debido a la generación de un campo eléctrico, que es función de la temperatura, como consecuencia de la difusión de electrones. Si abrimos el circuito, se mide una diferencia de potencial que depende de las características de los metales. La relación entre la tensión medida y la diferencia de temperaturas es aproximadamente lineal y dada por aAB (coeficiente Seebeck). El efecto Seebeck es el principio de funcionamiento de un termopar.
• Efecto Peltier: El efecto Seebeck es reversible, es decir, si en un circuito formado por la unión de dos metales establecemos una corriente eléctrica, una de las uniones se calienta y la otra se enfría. Esto se conoce como efecto Peltier y es el principio de funcionamiento de los dispositivos conocidos como Células Peltier.
• Efecto Thomson: Si en un conductor se establece una diferencia de temperatura entre dos puntos, se genera un potencial eléctrico entre ellos que es función de la diferencia de temperatura y el tipo de material. Inversamente, si una corriente eléctrica circula por un conductor que presenta un gradiente térmico, se produce un flujo de calor que es función del sentido y magnitud de la corriente, y del tipo de material.

Leyes Fundamentales de un Termopar

• Ley del circuito homogéneo: En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.
• Ley de los metales intermedios: Si en un circuito la temperatura es uniforme en todos los conductores intermedios entre dos uniones, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores intermedios y es la misma que si estos se eliminan.
• Ley de las temperaturas intermedias: Permite usar las tablas de referencia de un termopar y determinar la relación entre Vo y temperatura de las uniones.

Compensación de la Unión Fría o de Referencia

Este concepto se refiere a obtener una tensión o medida que solo dependa de la temperatura de la unión caliente. Posibilidades:

• Someter la unión de referencia a una temperatura conocida y estable. Solo se suele utilizar en procesos de calibración.
• Medir con un segundo sensor la temperatura de la unión de referencia y eliminar su aportación al resultado. Esta es la opción práctica habitual.

Emisividad de una Superficie (e)

Representa la eficiencia de radiación de una superficie comparada con la del radiador ideal “cuerpo negro, e=1”. Depende del tipo de superficie, longitud de onda, ángulo de observación y temperatura de la superficie.

Medidores de Temperatura

• Medidor de banda ancha: El medidor captura la energía procedente de la superficie en un margen amplio de longitudes de onda que abarca varios µm. Para usar este método se deben cumplir las siguientes condiciones:
  • Emisividad aproximadamente constante y conocida en todo el margen de longitudes de onda.
  • Absorción del camino óptico constante, conocida y reducida en el margen de longitudes de onda.
  • Campo de visión del sistema óptico inferior al de la superficie.
  • Tiempo de respuesta necesario del sistema compatible con sensores térmicos, esto es, no inferior a unas decenas de ms.
• Medidor de banda estrecha: Si la emisividad y la absorción del camino óptico no son conocidas y constantes para un margen amplio de longitudes de onda, debe utilizarse el método de banda estrecha. Las condiciones ahora se evalúan en un margen reducido de longitudes de onda, inferior a 1µm. El método permite también medir materiales que son transparentes salvo a ciertas longitudes de onda, de manera que el sensor debe captar solo la potencia en dichas frecuencias, como por ejemplo plásticos finos.
• Medidor de relación o dos colores: Determinan la temperatura de la superficie a partir del cociente entre las energías recibidas en dos bandas de longitudes de onda estrechas y próximas, con el fin de que la emisividad de la superficie y/o la absorción del camino óptico sean muy similares. Este método permite obtener una medida de calidad en aplicaciones en las que no se cumplen los requisitos especificados en los métodos de banda ancha y estrecha.