Instrumentos básicos de medición (página 3)

Enviado por Berenice Villalba Rodr�guez

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PIRÓMETRO

Los pirómetros se utilizan para medir temperaturas elevadas. El pirómetro óptico se emplea para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700 ºC, cuando la mayoría de los restantes termómetros se fundiría. 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 1.300 ºC. El pirómetro contiene un filamento similar a un foco o bombilla. El filamento está controlado por un reóstato calibrado de forma que los colores con los que brilla corresponden a temperaturas determinadas. La temperatura de un objeto incandescente se puede medir observando el objeto a través del pirómetro y ajustando el reóstato hasta que el filamento presente el mismo color que la imagen del objeto y se confunda con ésta. En ese momento, la temperatura del filamento (que se puede leer en el reóstato calibrado) es igual a la del objeto.

TERMÓMETRO DE LÁMINA BIMETÁLICA

Otro sistema para medir temperaturas, empleado sobre todo en termostatos, se basa en la expansión térmica diferencial: Formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos y arrollados dejando el coeficiente más alto en el interior. Se utiliza sobre todo como censor de temperatura en el termohigrógrafo.

Termómetros especiales

Los termómetros también se pueden diseñar para registrar las temperaturas máximas o mínimas alcanzadas. Por ejemplo, un termómetro clínico de mercurio es un instrumento de medida de máxima, en el que un dispositivo entre la ampolla y el capilar de vidrio permite que el mercurio se expanda al subir la temperatura pero impide que refluya a no ser que se agite con fuerza. Las temperaturas máximas alcanzadas durante el funcionamiento de herramientas y máquinas también se pueden estimar mediante pinturas especiales que cambian de color cuando se alcanza una temperatura determinada.

El termómetro de globo, para medir la temperatura radiante. Consiste en un termómetro de mercurio que tiene el bulbo dentro de una esfera de metal hueca, pintada de negro de humo. La esfera absorbe radiación de los objetos del entorno más calientes que el aire y emite radiación hacia los más fríos, dando como resultado una medición que tiene en cuenta la radiación. Se utiliza para comprobar las condiciones de comodidad de las personas.
El termómetro de bulbo húmedo, para medir el influjo de la humedad en la sensación térmica. Junto con un termómetro ordinario forma un psicrómetro, que sirve para medir humedad relativa, tensión de vapor y punto de rocío. Se llama de bulbo húmedo porque de su bulbo o depósito parte una muselina de algodón que lo comunica con un depósito de agua. Este depósito se coloca al lado y más bajo que el bulbo, de forma que por capilaridad está continuamente mojado.

El termómetro de máxima y el termómetro de mínima utilizado en meteorología.

La precisión de la medida de la temperatura depende del establecimiento de un equilibrio térmico entre el dispositivo termométrico y el entorno; en el equilibrio, el termómetro y el material adyacente o próximo se encuentran a la misma temperatura. Por eso, para que la medida de un termómetro clínico, por ejemplo, sea precisa, éste se debe colocar durante un periodo de tiempo suficiente (más de un minuto) para que alcance un equilibrio casi completo con el cuerpo humano. Los tiempos se reducen de forma significativa con termómetros pequeños de reacción rápida, como los que emplean termistores.

Un termómetro sólo indica su propia temperatura, que puede no ser igual a la del objeto cuya temperatura se quiere medir. Por ejemplo, si se mide la temperatura en el exterior de un edificio con dos termómetros situados a pocos centímetros, uno de ellos a la sombra y otro al sol, las lecturas de ambos instrumentos pueden ser muy distintas, aunque la temperatura del aire es la misma. El termómetro situado a la sombra puede ceder calor por radiación a las paredes frías del edificio. Por eso, su lectura estará algo por debajo de la temperatura real del aire. Por otra parte, el termómetro situado al sol absorbe el calor radiante del sol, por lo que la temperatura indicada puede estar bastante por encima de la temperatura real del aire. Para evitar esos errores, una medida precisa de la temperatura exige proteger el termómetro de fuentes frías o calientes a las que el instrumento pueda transferir calor (o que puedan transferir calor al termómetro) mediante radiación, conducción o convección.

1.5 HIGRÓMETRO

Un higrómetro es un instrumento que se usa para medir el grado de humedad del aire, o un gas determinado, por medio de censores que perciben e indican su variación.

Los instrumentos registradores de la humedad del aire que se usan en las estaciones meteorológicas se fundan en el uso de materias higroscópicas que, al absorber la humedad ambiental, se alargan y tanto más cuanto más húmedo es el aire.

Los primeros higrómetros estaban constituidos por censores de tipo mecánico, basados en la respuesta de ciertos elementos sensibles a las variaciones de la humedad atmosférica, como cabellos (previamente desengrasados), filamentos de cuernos de buey y tirillas de intestinos.

Funcionamiento

El hilo, fijado por un extremo en el soporte del instrumento, es enrollado en el tambor que lleva la aguja y tiene un contrapeso en su extremo libre. En otros casos, de unos haces de cabellos humanos puede pender un contrapeso cuyo movimiento vertical, proporcional a la humedad ambiental, es transmitido a la aguja por un sistema multiplicador. La aguja indicadora puede constituir en un estilete inscriptor que traza una curva sobre el gráfico enrollado en un tambor. Éste es accionado por un mecanismo de relojería. El alargamiento de los cabellos suele ser de 2,5% cuando la humedad relativa pasa de 0 a 100 por ciento.

Tipos de higrómetros y su funcionamiento

Existen diversos tipos de higrómetros:

Un tipo sencillo de higrómetro, usado en las casas y en las oficinas, aprovecha el cambio de longitud de una fibra orgánica (muchas veces un cabello) según la absorción de humedad. La fibra tiende a acortarse en aire seco; el dispositivo muestra el cambio al desplazar un puntero en un dial calibrado para dar lecturas de porcentajes relativos de humedad. Este tipo de higrómetro sólo da una indicación aproximada y no se usa para determinaciones cuantitativas precisas.
El instrumento más utilizado en los laboratorios para medir humedades relativas es el psicrómetro o termómetro con bulbos mojado y seco; este determina la humedad atmosférica mediante la diferenciación de su temperatura con humedad y su temperatura ordinaria. Dos termómetros similares se montan adyacentes: el seco tiene su bulbo expuesto a la atmósfera, mientras que el mojado se envuelve con un material apropiado, como la muselina, empapado en agua y que sirve de mecha. El bulbo mojado se enfría por la evaporación del agua, dependiendo de la humedad atmosférica "si ésta es más seca, el agua se evapora más rápido. Con la ayuda de una tabla que acompaña al instrumento se puede obtener la humedad relativa en función de las lecturas en los termómetros mojado y seco.
El higrómetro de condensación se emplea para calcular la humedad atmosférica al conseguir determinar la temperatura a la que se empaña una superficie pulida al ir enfriándose artificialmente y de forma paulatina dicha superficie. A esta temperatura comúnmente se conoce como "Temperatura de Rocío". Funcionamiento: Se coloca una pequeña cantidad de éter en una copa metálica, fina y muy pulida; su evaporación, acelerada por el aire que sopla a través de ella, hace disminuir la temperatura de la copa. Cuando se alcanza el punto de rocío del aire circundante, aparece una película de humedad sobre la superficie de la copa. Se mide la temperatura con un termómetro y, tras consultar una tabla, se obtiene la humedad relativa en función de las temperaturas atmosféricas y de rocío.
El higroscopio utiliza una cuerda de cabellos que se retuerce con mayor o menor grado según la humedad ambiente. El haz de cabellos desplaza una aguja indicadora que determina la proporción de la mayor o menor humedad, sin poder llegar a conocer su porcentaje.
El higrómetro de absorción utiliza sustancias químicas higroscópicas, las cuales absorben y exhalan la humedad, según las circunstancias que los rodean.
El higrómetro eléctrico está formado por dos electrodos arrollados en espiral entre los cuales se halla un tejido impregnado de cloruro de litio acuoso. Si se aplica a estos electrodos una tensión alterna, el tejido se calienta y se evapora una parte del contenido de agua. A una temperatura definida, se establece un equilibrio entre la evaporación por calentamiento del tejido y la absorción de agua de la humedad ambiente por el cloruro de litio, que es un material muy higroscópico. A partir de estos datos se establece con precisión el grado de humedad.

1.6 FOTOMETRÍA

La Fotometría es la ciencia que se encarga de la medida de la luz como el brillo percibido por el ojo humano. Es decir, estudia la capacidad que tiene la radiación electromagnética de estimular el sistema visual. No debe confundirse con la Radiometría, que se encarga de la medida de la luz en términos de potencia absoluta.

El ojo humano y la Fotometría

El ojo humano no tiene la misma sensibilidad para todas las longitudes de onda la distancia entre dos picos sucesivos de una onda. La luz que percibe el ojo humano es la luz visible y comprende desde 400 a 700 nm. La que contiene longitudes de onda superiores a 700 nm no es visible para el ojo y se llama infrarroja. Por debajo de 400 nm tenemos la radiación ultravioleta (100-400 nm). Estas forman f el espectro visible. La Fotometría introduce este hecho ponderando las diferentes magnitudes radiométricas medidas para cada longitud de onda por un factor que representa la sensibilidad del ojo para esa longitud.

La función que introduce estos pesos se denomina función de luminosidad espectral o eficiencia luminosa relativa de un ojo modelo, que se suele denotar como , o (este modelo u observador estándar es muy similar a los de la Colorimetría). Esta función es diferente dependiendo de que el ojo se encuentre adaptado a condiciones de buena iluminación (visión fotópica) o de mala (visión escotópica).

Las medidas de absorción de luz se basan en dos leyes, la ley de Lambert y la ley de Beer.

Ley de Lambert. Cuando un rayo de luz monocromática pasa a través de un medio absorbente, su intensidad disminuye exponencialmente a medida que la longitud del medio absorbente aumenta.

Ley de Beer: Cuando un rayo de luz monocromática pasa a través de un medio absorbente, su intensidad disminuye exponencialmente a medida que aumenta la concentración de la sustancia absorbente en el medio.

Espectrofotómetros.

Los métodos fotométricos de análisis utilizan los efectos de la interacción de las radiaciones electromagnéticas con las moléculas. Los aparatos de medida de la absorción de la radiación electromagnética se denominan "espectrofotómetros".

La luz procedente de la fuente se hace pasar por el monocromador, que la desdobla en haces monocromáticos. El colimador tiene una rendija de ajuste variable, pasando a su través sólo luz de una determinada longitud de onda.

La utilización de la luz monocromática o de un intervalo pequeño de longitudes de onda es importante, ya que la ley de Lambert – Beer solo se cumple en estas condiciones.

La luz que sale del colimador se hace pasar por la solución y luego incide sobre el fototubo donde es detectada. La señal se envía a un registrador que puede ser la escala de un galvanómetro calibrado o un registro gráfico.

Colorímetros

Los métodos colorimétricos son una aplicación de la espectroscopía y se basan en la medida de la absorbancia de una solución coloreada en la región visible del espectro (400-700 nm). La fuente de luz suele ser una lámpara de wolframio. Los compuestos no coloreados se transforman en otros con color, susceptibles de ser medidos colorimétricamente, mediante reacción con compuestos adecuados, y de esta forma se puede analizar en la región visible del espectro compuestos coloreados y sin color y ampliar sus posibilidades de utilización. Los colorímetros encuentran una gran aplicación en los laboratorios de análisis clínicos.

Principales magnitudes fotométricas

La siguiente tabla recoge las principales magnitudes fotométricas, su unidad de medida y la magnitud radiométrica asociada:

Magnitud fotométrica	Símbolo	Unidad	Abreviatura	Magnitud radiométrica asociada
Cantidad de luz o energía luminosa		lumen·segundo	lm·s	Energía radiante
Flujo luminoso o potencia luminosa		lumen (= cd·sr)	lm	Flujo radiante o potencia radiante
Intensidad luminosa		candela	cd	Intensidad radiante
Luminancia		candela /metro2	cd /m2	Radiancia
Iluminancia		lux	lx	Irradiancia
Emitancia luminosa		lux	lx	Emitancia radiante

El principio de medición de los medidores fotométricos es muy sencillo. La combinación de componentes del agua y reactivos produce una coloración característica. Los medidores fotométricos envían luz a través de la muestra con una determinada longitud de onda. Una fotocélula detecta la intensidad de la muestra irradiada y compara el resultado con la intensidad de salida. Se transmite la radiación absorbida y se calcula la concentración.

Los medidores fotométricos originan la luz necesaria por medio de un diodo con ahorro energético. Por ello, estos aparatos son de fácil manejo y se pueden ofrecer como variante de mano. Los medidores fotométricos miden la intensidad (I) del rayo de luz dirigido a través de la cubeta llena por medio de la fotocélula. La medición se compara finalmente con la intensidad de salida conocida La ley Lambert – Beer`sche establece una relación matemática entre la extinción E y la concentración c del contenido de agua: A = log Io/I. La absorción se define de la manera siguiente:

A = á‚¬Lambda c d (á‚¬Lambda = coeficiente de extinción, c = concentración molar de la sustancia, d = espesor de la cu- beta). La extinción E medida con los medidores fotométricos es proporcional a la concentración del contenido de agua. La extinción depende exclusivamente de la concentración con un coeficiente dado y un espesor de la cubeta constante. La ley no tiene una validez ilimitada, sino que parte de una luz con una longitud de onda única, la conocida como luz monocromática

INTERFERÓMETRO

El interferómetro es un instrumento que emplea la interferencia de las ondas de luz para medir con gran precisión longitudes de onda de la luz misma.

Hay muchos tipos de interferómetros, en todos ellos se utilizan dos haces de luz que recorren dos trayectorias ópticas distintas, determinadas por un sistema de espejos y placas que, finalmente, convergen para formar un patrón de interferencia

Usos de interferómetro

Medición de la longitud de onda de la luz

Para medir la longitud de onda de un rayo de luz monocromática se utiliza un interferómetro dispuesto de tal forma que un espejo situado en la trayectoria de uno de los haces de luz puede desplazarse una distancia pequeña, que puede medirse con precisión, con lo que es posible modificar la trayectoria óptica del haz.

Cuando se desplaza el espejo una distancia igual a la mitad de la longitud de onda de la luz, se produce un ciclo completo de cambios en las franjas de interferencia.

La longitud de onda se calcula midiendo el número de ciclos que tienen lugar cuando se mueve el espejo una distancia determinada.

Medición de distancias

Cuando se conoce la longitud de onda de la luz empleada, pueden medirse distancias pequeñas en la trayectoria óptica analizando las interferencias producidas. Esta técnica se emplea, por ejemplo, para medir el contorno de la superficie de los espejos de los telescopios.

Medición de índices de refracción

Los índices de refracción de una sustancia también pueden medirse con un interferómetro, y se calculan a partir del desplazamiento en las franjas de interferencia causado por el retraso del haz.

El interferómetro en Astronomía

En astronomía el principio del interferómetro también se emplea para medir el diámetro de estrellas grandes relativamente cercanas como, por ejemplo, Betelgeuse. Como los interferómetros modernos pueden medir ángulos extremadamente pequeños, se emplean "también en este caso en estrellas gigantes cercanas" para obtener imágenes de variaciones del brillo en la superficie de dichas estrellas. Recientemente ha sido posible, incluso, detectar la presencia de planetas fuera del Sistema Solar a través de la medición de pequeñas variaciones en la trayectoria de las estrellas. El principio del interferómetro se ha extendido a otras longitudes de onda y en la actualidad está generalizado su uso en radioastronomía.

Imagen obtenida por un interferómetro

de Michelson utilizando luz láser.

El experimento de Michelson y Morley

Con el interferómetro se realizó uno de los experimentos más famosos de la historia de la física, con el cual ambos investigadores intentaron medir la velocidad de la Tierra en el supuesto éter luminífero.

En dicho experimento se encontró que la velocidad de la luz en el vacío es constante, independiente del observador, lo que es uno de los postulados de la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein.

Descripción del experimento

En la base de un edificio cercano al nivel del mar, Michelson y Morley construyeron lo que se conoce como el interferómetro de Michelson. Se compone de una lente semiplateada o semiespejo, que divide la luz monocromática en dos haces de luz que viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro. Con esto se lograba enviar simultáneamente dos rayos de luz (procedentes de la misma fuente) en direcciones perpendiculares, hacerles recorrer distancias iguales o caminos ópticos) iguales y recogerlos en un punto común en donde se crea un patrón de interferencia que depende de la velocidad de la luz en los dos brazos del interferómetro. Cualquier diferencia en esta velocidad (provocada por la diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento del éter) sería detectada. Describiremos a continuación de manera esquemática como se desarrollo este experimento.