Lo primero que tenemos que saber es que un termómetro no mide la temperatura de un sistema en el cual esta inmerso, sino que mide su propia temperatura y que puede no llegar nunca a medir la temperatura real del sistema por una serie de errores.

Errores de inmersión

Debido a que en muchos casos los termómetros no están totalmente sumergidos en el medio que se quiere medir se producen errores de inmersión. La vaina y los cables proporcionan un medio de transmisión del calor entre el objeto a medir y el ambiente.

Como el calor sólo puede fluir donde hay una
diferencia de temperatura, el flujo de calor es evidencia de que la punta del termómetro está a una temperatura ligeramente diferente a la del medio de interés.
El perfil de temperatura a lo largo del termómetro varía continuamente. El extremo caliente del termómetro está cerca de la temperatura del sistema, mientras que el extremo frío está cerca de la temperatura ambiente. La punta del termómetro está rodeada por un medio que debe transferir calor al termómetro para reemplazar el que se pierde por la vaina. El flujo de calor en la capa límite alrededor del termómetro y en la superficie del sensor significa que la punta no está a la temperatura del sistema.
Tenga en cuenta también que el flujo de calor a lo largo del termómetro depende del gradiente de temperatura a lo largo del termómetro, y cuanto más adentro del sistema esté el termómetro y menor la diferencia de temperatura entre el medio y el ambiente, menor será el flujo de calor.

Para disminuir el error de inmersión se debe usar sensores de diámetro lo mas chico posible que puedan dejar la menor cantidad de vaina sin sumergir.

En general unas reglas simples para determinar la inmersión necesaria es:

• Error 1%: inmersión minima 5-10 veces el diámetro. En general es una inmersión suficiente para mediciones industriales.
• Error 0.01%: inmersión minima 10-15 veces el diámetro. Mediciones de ensayos térmicos
• Error 0.001%: inmersión minima 15-20 veces el diámetro. Mediciones de calibraciones de baja incertidumbre.

Para un mismo sensor el error de inmersión será menor en un baño agitado que en un bloque y mucho menor que en aire.

Errores debido a capacidad calorífica

La capacidad calorífica, C, de una sustancia se define como la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de esa sustancia en 1 K.

La capacidad calorífica se ve afectado por:

–Movimientos internos dentro de la molécula (rotaciones y vibraciones)

–Masa

–Puentes de hidrogeno

Cuando sumergimos un termómetro frío en un sistema caliente, el termómetro debe cambiar de temperatura para leer la temperatura del sistema. Esto requiere la transferencia de una cantidad de calor al termómetro, para lo cual el sistema debe perder una cantidad igual de su propio calor. Si este calor no se reemplaza por alguna otra fuente, la temperatura del sistema caerá en una cantidad proporcional a su propia capacidad calorífica. Siempre que no haya otro flujo de calor, el termómetro y el sistema eventualmente llegarán al equilibrio térmico a una temperatura entre la temperatura inicial del sistema y la temperatura inicial del termómetro teniendo en cuenta las capacidades calóricas de ambos.

Para reducir este error usar un termómetro con la menor masa posible o precalentarlo a una temperatura similar a la del sistema.

Error de estabilización

En un sistema donde existe un mecanismo de control o es un sistema muy grande los errores debido a capacidad calorífica son despreciables. En ese caso el sistema necesitará tiempo para reemplazar el calor perdido al calentar el termómetro, y para que el termómetro alcance la temperatura del sistema. Si no se deja suficiente tiempo para que ocurra cualquiera de los dos procesos, habrá un error en la lectura del termómetro.

Los objetos con mayor capacidad calorífica, además de requerir más calor para cambiar de temperatura, también tardan más en hacerlo que aquellos con menor capacidad calorífica. De hecho, es la relación entre la capacidad calorífica y la conductancia térmica lo que determina la velocidad de calentamiento o enfriamiento. Esta relación se llama la constante de tiempo del termómetro. Tiene la unidad de tiempo y caracteriza el tiempo requerido para que un objeto responda a un cambio de temperatura. Por ejemplo un termómetro metálico de de baja masa llegara a equilibrio mucho antes que un termómetro de polimero no conductor y alta masa.

Un termómetro en aire va a tener un tiempo de estabilización mucho mayor que el mismo termómetro en un baño liquido agitado. Termohigrómetros voluminosos y donde el sensor esta poco expuesto pueden tardar 30-60 minutos en estabilizar.

Para determinar si el termómetro esta constante se puede registrar valores cada un cierto tiempo (1-10 minutos) y ver si hay cambios.

Errores por tiempo de respuesta

En un sistema donde la temperatura esta cambiando constantemente el tiempo de respuesta del termómetro causa un error mucho mas grande que el tiempo de estabilización.

En un sistema cambiante habrá al principio un error por estabilización (marcado en gris) y luego las mediciones estarán siempre 1 tiempo de respuesta detrás de la temperatura real.

Esto es importante especialmente en calibraciones de temperatura de termómetros ambientales que se calibran en aire.

Errores de radiación

Los errores de radiación son importantes en mediciones en aire y en superficie, donde no hay nada que oscurezca o proteja y donde el contacto térmico con el objeto de interés ya es débil. Ejemplos de fuentes radiantes incluyen lámparas, calentadores, freezers y el sol.

En casos de sospechar de fuentes radiantes se debe intentar aislar el objeto emisor o el receptor. En casos de termómetros con vaina de acero esta puede actuar como aislante de radiación. En casos de trabajar con termómetros de liquido en vidrio o con SPRTs de cuarzo se puede colocar un recubrimiento de papel de aluminio con un cooler que remueve el aire caliente para evitar el error de radiación.

Conclusiones

Como se ve en la presente nota las mediciones en aire son generalmente las que más error tienen y por lo tanto son donde más se debe poner esfuerzo para disminuir los errores. En estas mediciones sumergir lo mas posible dentro del medio el termómetro y dejar mucho tiempo de estabilización pueden ayudar a mejorar nuestras mediciones significativamente.