República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior

Universidad Nacional Experimental Politécnica

“Antonio José de Sucre”.

Vicerrectorado Puerto Ordaz

Asignatura: Mediciones Industriales

Sensores Generadores

Profesor: Elaborado por: Custodio, Ángel. Durrego, Paola.

C.I.:21.380.940 Baldassarre, Andrea.

C.I.: 21.250.174 Rodríguez, José. C.I.:21.110.355 Perez, Ymeleth

C.I: 20.806.224

Ciudad Guayana, Febrero 2015

Preguntas de teoría:

a. Defina y explique cada uno de los siguientes conceptos: Efecto Seebeck, Efecto Peltier.

b. Describa el procedimiento que hay que seguir para medir temperatura con un Multímetro y utilizando un termopar. Recuerde que interesa conocer la temperatura del proceso.

Efecto Seebeck

El efecto Seebeck es la conversión de diferencias

de temperatura directamente a electricidad.

Seebeck descubrió que la aguja de una brújula se desviaba cuando se

formaba un circuito cerrado de dos metales unidos en dos lugares con una

diferencia de temperatura entre las uniones. Esto se debe a que los metales

responden diferentemente a la diferencia de temperatura, creando una

corriente de circuito, que produce un campo magnético. Seebeck, aun así, en

ese momento no reconoció allí una corriente eléctrica implicada, así que llamó

al fenómeno el efecto termomagnético, pensando que los dos metales

quedaban magnéticamente polarizados por el gradiente de temperatura. El

físico Danés Hans Christian Ørsted jugó un papel vital en la explicación y

concepción del término “termoelectricidad”.

El efecto es que un voltaje, la FEM termoeléctrica, se crea en presencia

de una diferencia de temperatura entre dos metales o

semiconductores diferentes. Esto ocasiona una corriente continua en los

conductores si ellos forman un circuito completo. El voltaje creado es del orden

de varios microvoltios por kelvin de diferencia. Una de esas

combinaciones, cobre-constantán, tiene un coeficiente Seebeck de 41

microvoltios por kelvin a temperatura ambiente.

En el circuito: (que puede estar en varias configuraciones diferentes y

regirse por la misma ecuación), el voltaje obtenido puede ser derivado de:

SA y SB son los coeficientes Seebeck (también llamados potencia

termoeléctrica o termopotencia) de los metales A y B en función de la

temperatura, y T1 y T2 son las temperaturas de las dos uniones. Los

coeficientes Seebeck no son lineales en función de la temperatura, y dependen

de la temperatura absoluta, material y estructura molecular de los

conductores. Si los coeficientes Seebeck son efectivamente constantes para el

rango de temperatura medido, la fórmula anterior puede aproximarse como:

El efecto Seebeck se usa comúnmente en dispositivos

llamados termopar (porque está hecho de un acople o unión de materiales,

generalmente metales) para medir una diferencia de temperatura

directamente o para medir una temperatura absoluta colocando un extremo a

una temperatura conocida. Una sonda metálica mantenida a una temperatura

constante en contacto con un segundo metal de composición desconocida

puede clasificarse por este efecto TE. Instrumentos de control de calidad

industriales usan este efecto Seebeck para identificar aleaciones metálicas.

Esto se conoce como clasificación Termoeléctrica de aleación.

Varios termopares cuando se conectan en serie son llamados termopila,

la cual se construye a veces para aumentar el voltaje de salida ya que el

voltaje inducido sobre cada acople es bajo.

Este es también el principio de trabajo detrás de los diodos térmicos y

generadores termoeléctricos (tales como los generadores termoeléctricos de

radioisótopos o GTR) los cuales se usan para crear potencia a partir de la

diferencia de calor.

El efecto Seebeck se debe a dos efectos difusión de portador de

carga y arrastre de fonones (descritos abajo). Si ambas conexiones se

mantienen a la misma temperatura, pero una conexión se abre y cierra

periódicamente, se mide un voltaje AC, el cuál es también dependiente de la

temperatura. Esta aplicación de la sonda Kelvin a veces se usa para demostrar

que la física subyacente solo necesita una unión. Y este efecto se ve aún si los

alambres solo se acercan, pero no se tocan, así no se necesita difusión

Efecto peltier

El efecto Peltier es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1834

por Jean Peltier, trece años después del descubrimiento del mismo fenómeno,

de forma independiente, por Thomas Johann Seebeck. El efecto Peltier hace

referencia a la creación de una diferencia de temperatura debida a un voltaje

eléctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o

semiconductores conectados por dos “junturas de Peltier”. La corriente

propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfría en

tanto que otra se calienta.

Una manera para entender cómo es que este efecto enfría una juntura

es notar que cuando los electrones fluyen de una región de alta densidad a una

de baja densidad, se expanden (de la manera en que lo hace un gas ideal) y se

enfría la región.

Cuando una corriente se hace pasar por el circuito, el calor se genera en

la juntura superior (T2) y es absorbido en la juntura inferior (T1). A y B indican

los materiales.

Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la

creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial

eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes

o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos

soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor

desde una unión, que se enfría, hasta la otra, que se calienta. El efecto es

utilizado para larefrigeración termoeléctrica.

Este efecto lleva el nombre de Jean-Charles Peltier (físico francés) quien

lo descubrió en 1834, el efecto calórico de una corriente en la unión de dos

metales diferentes. Cuando una corriente I se hace fluir a través del circuito, se

produce calor en la unión superior (at T2)), y absorbido por la unión inferior (at

T1)). El calor Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, es

igual a:

donde: es el coeficiente Peltier AB de todo el termopar, y A y B son los

coeficientes de cada material.

El silicio tipo-P normalmente tiene un coeficiente Peltier positivo (pero no

mayor ~550K), y silicio tipo-n es normalmente negativo como sugiere su

nombre.

Los coeficientes Peltier representan cuanta corriente de calor se lleva por

unidad de carga a través de un material dado. Como la corriente de carga debe

ser continua por una unión, el flujo de calor asociado producirá discontinuidad

si A y B son diferentes. Esto provoca una divergencia no cero en la unión y

así el calor debe acumularse o agotarse allí, según el signo de la corriente. Otra

forma de entender como este efecto puede enfriar una unión es notar que

cuando electrones fluyen de una región de alta densidad a una región de baja

densidad, ellos se expanden (como con un gas ideal) y enfrían.

Los conductores están tratando de retornar al equilibrio de electrones que

había antes de aplicarse la corriente absorbiendo energía a un conector y

liberándole al otro. Los pares individuales pueden conectarse en serie para

mejorar el efecto.

Una consecuencia interesante de este efecto es que la dirección de

transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente; invertir la

polaridad cambiará la dirección de transferencia y así el signo del calor

absorbido/producido.

Un enfriador/calentador Peltier o bomba de calor

Un enfriador/calentador Peltier o bomba de calor es una bomba de calor activa

de estado sólido que transfiere calor de un lado del dispositivo al otro. El enfriamiento

Peltier es llamado Enfriamiento termoeléctrico.

Describa el procedimiento que hay que seguir para medir temperatura

con un Multímetro y utilizando un termopar. Recuerde que interesa

conocer la temperatura del proceso

Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado

industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto

material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar

temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño

(efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura.

Por ejemplo:

Una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de

constatan (aleación de cobre y nikel). Al colocar la unión de estos metales a

750 °C, debe aparecer en los extremos 42.2mvolts.

Normalmente las termocuplas industriales se consiguen encapsuladas

dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material (vaina) en un extremo

está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido adentro

de una caja redonda de aluminio (cabezal).

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

algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas

son del tipo J o del tipo K.

Las termocuplas tipo J se usan principalmente 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 exclusivamente en la industria

siderúrgica (fundición de acero) las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la

industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicación por los

Pt100.

Linealización

La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la

temperatura no es lineal (no es una recta) es deber del instrumento electrónico

destinado a mostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir tomar el

voltaje y conociendo el tipo de termocupla, ver en tablas internas a que

temperatura corresponde este voltaje.

Compensación de cero

El principal inconveniente de las termocuplas es su necesidad de

compensación de cero. Esto se debe a que en algún punto, habrá que

empalmar los cables de la termocupla con un conductor normal de cobre. En

ese punto se producirán dos nuevas termocuplas con el cobre como metal para

ambas, generando cada una un voltaje proporcional a la temperatura de

ambiente (Ta) en el punto del empalme

Antiguamente se solucionaba este problema colocando los empalmes

un baño de hielo a cero grados para que generen cero voltaje

(Ta = 0 y luego V (Ta) = 0).

Actualmente todos los instrumentos modernos miden la temperatura en

ese punto (mediante un sensor de temperatura adicional) y la suman para

crear la compensación y obtener así la temperatura real.

El punto de empalme (llamado "unión o juntura de referencia") es

siempre en el conector a la entrada del instrumento pues ahí está el sensor de

temperatura. De modo que es necesario llegar con el cable de la termocupla

hasta el mismo instrumento.

La termocupla, hecha de metal A y metal B está sometida a una

temperatura T. En los extremos de la termocupla se coloca un voltímetro con

puntas de prueba de cobre a temperatura de ambiente Ta.

Recorriendo el circuito se encuentra el voltaje V que marca el voltímetro:

V = V cu,a(Ta) + Va,b(T) + Vb,cu(Ta)

V = [Vb,cu(Ta) + V cu,a(Ta) ] + Va,b(T)

V = Vb,a(Ta) + Va,b(T)

V = Va,b(T) - Va,b(Ta)

El voltaje que nos interesa saber para conocer el valor de la temperatura

T es Va,b(T) , este se consigue

Va,b(T) = V + Va,b(Ta)

Luego conociendo Ta se busca en la tabla de la termocupla el valor de

Va,b(Ta) y se suma a V medido en el voltímetro con lo que se obtiene Va,b(T).

Ahora con este valor se busca en la tabla el valor de T. Los instrumentos para

TC miden Ta en su conector y suman esta cantidad Va,b(Ta) automáticamente

para hacer la compensación de cero.

Cables compensados

Cuando el instrumento está muy retirado del lugar de medición, no

siempre es posible llegar con el mismo cable de la termocupla al instrumento.

Esto ocurre especialmente cuando se están usando R, S o B hechas con

aleación de platino muy alto precio

La solución de este problema es usar los llamados "cables compensados"

para hacer la extensión del cable. Estos exhiben el mismo coeficiente de

Seebeck de la termocupla (pero hechos de otro material de menor precio) y por

lo tanto no generan termocupla parásitas en el empalme.

Los cables compensados tienen una polaridad de conexión (+) y (-) que

al conectarse con la termocupla se debe respetar. Un error típico, es conectar

al revés el cable en la termocupla y en el instrumento, de esta forma se genera

un error en la lectura del orden de la temperatura de ambiente en el empalme

En el caso particular de las lanzas usadas en la fundición de aceros, la

termocupla se conecta en la punta con un cable compensado forrado en

asbesto, que va por dentro de la lanza hasta el lado del mango. Ahí se

empalma con otro cable compensado con revestimiento de goma más flexible

que llega hasta la entrada del instrumento.

Es importantísimo que estos dos cables compensados sean para el tipo

de termocupla que se está usando y además estén conectados con la polaridad

correcta (+) con (+) y (-) con (-). De otra forma será imposible obtener una

medición sin error.

Siempre se debe consultar al proveedor o fabricante del cable

compensado por los colores que identifican los cables (+) y (-), pues las

normas de estos colores varían con el tipo de termocupla y país de procedencia

del cable.

Para verificar el funcionamiento de un instrumento

Para verificar que un instrumento de termocupla funciona

correctamente, es conveniente hacer un corto o puente en la entrada de modo

que V = 0, entonces el instrumento deberá marcar la temperatura de ambiente

Ta que hay en el conector trasero donde se hizo el puente.

Como medir temperatura con un voltímetro

1. Medir con el voltímetro el voltaje que

entrega la termocupla por ej V.

2. Medir la temperatura de ambiente Ta

(temperatura del contacto de las puntas del

voltímetro con los cables de la termocupla).

Ver en una tabla de termocuplas que

voltaje corresponde a la temperatura. Sea

por ej Vab(Ta).

3. Hacer la suma de los 2 volates obtenidos

Vab(T) = V + Vab(Ta) y ver en la tabla a

que temperatura corresponde. Esta será la

temperatura real a la que está sometida la termocupla.

Por ejemplo:

Se mide en una termocupla J un voltaje de 10.84 mV.

Si la temperatura de ambiente en los contactos es 25 °C, entonces en la tabla

esto corresponde a 1.277 mV.

Luego Vab(T) = 10.84 + 1.277 = 12.117mV, esto según la tabla

corresponde a 224°C

Procedimiento aproximado pero simple

1. Medir con el voltímetro el voltaje que entrega la termocupla.

2. Ahora ver en una tabla de termocuplas a que temperatura

corresponde el voltaje.

3. Sumarle a esta temperatura encontrada en la tabla, la

temperatura de ambiente (temperatura del contacto de las puntas

del voltímetro con los cables de la termocupla) para hacer la

compensación de cero.

Por ejemplo:

Se mide en una termocupla J un voltaje de 10.84 mV.

En la tabla de termocupla J se encuentra que para 10.84 mV, lo más

aproximado es 10.832 mV que corresponden a 201 °C. Si la

temperatura de ambiente en los contactos es 25 °C aprox., entonces la

temperatura medida es 226°C (25°C + 201°C)

La diferencia obtenida con los mismos valores para ambos

procedimientos es mucho mayor en el caso de termocuplas B, S y R.

Problema

En el laboratorio de procesos de ALCASA se tiene un pequeño horno

utilizado para secar las placas de circuito impreso que allí se construyen. Sin

embargo el horno tiene un control manual y se desea digitalizar el sistema de

medida. Para ello se decide utilizar un termopar, pero en el laboratorio solo se

consiguen los hilos con los que estos se construyen: hierro, constatan, cromel y

alumel. Así que debe fabricarse el Termopar, el cual debe ser tipo J ya que es la

única tabla de la que se dispone en el laboratorio. Se dispone en el laboratorio

de un convertidor A/D que permite convertir señales de 0 – 5 Volt directamente

a LCD de 3 ½ segmentos. El horno mide temperaturas de 0 °C hasta 609 °C,

aunque el proceso de interés varía solo de 300 °C hasta 309 °C. La

temperatura ambiente suele oscilar entre 20 °C y 29 °C.

Se requiere:

a. Diseñar el circuito de acondicionamiento que permita convertir la señal

del termopar tipo J en una señal de 0 a 5 Volts que permita su

visualización en el display.

b. Compensar el efecto de la temperatura ambiente de tal forma que en

centro del margen de medida se obtenga un error debido a la

temperatura ambiente de 0°C. En el laboratorio solo se dispone de una

termorresistencia tipo PT1000.

Tipo J

°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0.400 0.420 0.440 0.460 0.500 0.520 0.540 0.560 0.580 0.600

20 1.019 1.070 1.122 1.174 1.225 1.277 1.329 1.381 1.432 1.484

30

0

16.32

5

16.38

0

16.43

6

16.49

1

16.54

7

16.60

2

16.65

7

16.71

3

16.76

8

16.82

3

60

0

30.00

0

30.50

0

31.00

0

31.20

0

31.45

0

31.55

0

31.60

0

32.00

0

32.10

0

32.20

0

Solución

De la teoría se sabe que para un termopar es necesario utilizar un

circuito que compense la temperatura de la unión fría o a temperatura

ambiente. Por tanto se debe construir un circuito que cumpla el siguiente

criterio:

El circuito de la figura es un circuito de acondicionamiento de un

termopar con compensación de temperatura ambiente por medio de una

Pt1000.

El termopar es de tipo J con sensibilidad

Sk = (16.881−16.327 )mV

(310−300)=55.4

μV

La Pt100 presenta una resistencia de 1000Ω y un coeficiente= 3.85·10−3

C−1 a 0 C. El amplificador es un amplificador de instrumentación ideal; TA es

la temperatura ambiente y TM la temperatura por medir.

El termopar es un generador de tensión; visto que él no pasa corriente

(esta puesto en serie a una entrada con impedancia infinita) podemos

considerarlo un generador ideal de tensión.

V T=S K(TM−T A)

La resistencia es una Pt100 (RTD), cuyo valor crece al crecer de la

temperatura TA. Si usamos como medida de temperatura grados centígrados,

tenemos entonces:

RPt 1000=RO(1+α T A)

Podemos redibujar el circuito para visualizar mejor el puente y la

estructura del sistema, indicando con Vin la tensión diferencial de entrada del

amplificador:

RPT1000

RPT1000

1000Ω

V ¿=V ref ( RO (1+α T A )R2+RO (1+α T A )

−R0

R1+R0 )+SK (TM−T A)

Si la tensión de salida tiene que ser cero para TM igual a cero Celsius,

sea cual sea el valor de TA, tendrá que ser cero para TM = TA = 0 C también.

Entonces:

V ¿=V ref ( ROR2+RO

−R0

R1+R0)=0→R1=R2

Analizamos ahora el puente poniendo R1 = R2 =kRo como se hace en la

parte teórica de análisis del puente. Fijémonos solo en la parte del puente,

dejando de un lado el termopar. Llamamos vp la contribución a la tensión de

entrada debida al puente.

V p=V ref ( RO (1+α T A )kRO+RO (1+α T A )

−R0

KRO+R0 )Simplificando y dividiendo numerador y denominador por RO:

V p=V ref ( ( 1+α T A )K+ (1+α T A )

− 1K+1 )

Y operando:

RPT1000

1000Ω1000Ω

V p=V ref ( (Kα T A )(K+1)(K+1+α T A ) )

Aplicando la aproximación lineal a la salida del puente, despreciamos el

término αTA al denominador respeto a k + 1, y:

V p≈V ref ( (KαT A )(K+1)2 )

Añadiendo otra vez la contribución del termopar, la tensión de entrada

del amplificador operacional resultara:

V p≈V ref ( (KαT A )(K+1 )2 )+SK (T M−T A )=SKTM+(

V ref αK

(K+1 )2−S K)T A

Para que la salida no dependa de TA, habrá que elegir k (la sensibilidad

del puente) de forma que el segundo término de la ecuación sea cero:

(V ref αK(K+1 )2−SK)T A=0→K 2+(2−V REFα

SK )K+1=0

Solucionando la ecuación de segundo grado en k se obtienen dos valores,

k 1=0.0014431→R=1.4431Ω

k 2=692.94→R=692.94 k Ω

Las dos soluciones son efectivamente posibles desde el punto de vista

maten ático: efectivamente, la sensibilidad de un puente en función de k es

una función cuya forma está representada en la gráfica siguiente, y si se busca

un valor específico de sensibilidad, tenemos dos soluciones posibles.

Ahora, la solución buena desde el punto de vista práctico es

evidentemente la más alta. Esto para varias razones:

K grande significa que la aproximación lineal es más exacta.

R grande significa menos potencias a la Pt1000, meno gasto energético

y menos auto calentamiento.

La variabilidad de la sensibilidad con el valor exacto de R es mucho

menor para la solución k2.

Entonces, nos quedamos con la solución mayor, con R =692.94 kΩ. La

tensión de salida es simplemente:

v0=AS KT M

Y el último parámetro A, es calculado de forma de trivial:

A SK=10mV

→A≈180

Para300→2.9916V

Para309→3.0813V

Ajuste de cero

Dónde:

V1=vo

V2=2.9916V

R1=R2 y R3=R4

Vout=Vy

Vy=(2.9916V−V O )Vy=0v−89.7mv

Ajuste de ganancia:

in=Vy

G=(5−0 )V

(89.7−0 )mV=55.7413

R2=50kΩ

R1=897Ω

Out=

5v→309

0 v→300

LCD de 3 ½ segmentos del A/D