Medición de Temperaturas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

Lima-Perú, Octubre de 2015

Medición de Temperaturas

Curso: Laboratorio de Ingeniería Mecánica I (MN412)

Sección: “A”

Profesor: MECHAN, Dante

Autores: ALVAREZ ZENTENO, Erick

ARCE LINARES, Diego

BEJARANO MICHE, Miguel

CARHUATANTA, Wolfran

JUSTINIANO MORAN, Álvaro

MEDICIÓN DE TEMPERATURAS

MEDICIÓN DE TEMPERATURAS UNI-FIM

INTRODUCCIÓN

Para medir magnitudes necesita ser calibrado y los termómetros no son la excepción. En este

sentido, el presente informe de laboratorio se explaya sobre esto: la calibración de termómetros.

Para calibrar un termómetro se necesita de otro que sirva de base o patrón. En este caso en

particular, se ha utilizado una termocupla como termómetro patrón. Esto porque tiene una mayor

precisión que los otros cuatro.

Los termómetros que van a ser calibrados son: termómetro de inmersión total, dos termómetros

de inmersión parcial y un termómetro bimetálico. Cada uno de estos tiene sus propias

características y su propio rango de error. Por ende, el presente informe trata sobre las curvas de

calibración de estos.

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MEDICIÓN DE TEMPERATURA

OBJETIVOS

Aprender a usar los distintos tipos de instrumentos de medición de temperatura

Seleccionar el instrumento adecuado para efectuar mediciones.

Obtener las curvas de calibración de los instrumentos.

Interpretar correctamente el uso de dichas curvas.

FUNDAMENTO TEÓRICO

DEFINICIÓN DE TEMPERATURA

La temperatura es una propiedad física que se refiere a las nociones comunes de calor o ausencia de calor, sin embargo su significado formal en termodinámica es más complejo, a menudo el calor o el frío percibido por las personas tiene más que ver con la sensación térmica, que con la temperatura real. Fundamentalmente, la temperatura es una propiedad que poseen los sistemas físicos a nivel macroscópico, la cual tiene una causa a nivel microscópico, que es la energía promedio por partícula.

La temperatura es una propiedad intensiva, es decir que no depende del tamaño del sistema, sino que es una propiedad que le es inherente y no depende ni de la cantidad de sustancia ni del material del que este compuesto.

TIPOS DE TERMÓMETRO

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TERMÓMETRO DE VIDRIO

Funciona por la dilatación de un líquido alojado en un bulbo, que se visualiza en un capilar cuyo pequeño diámetro permite apreciar grandes variaciones de la longitud del fluido dilatado para un determinado volumen.

Errores:

1. Los que se generan por la dilatación del tubo de vidrio.

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Fig. N° 1 Temperaturas para diferentes líquidos



2. Los que se deben al tiempo de inmersión del bulbo.

3. Los que se deben a la falta de uniformidad de la superficie transversal del capilar.

4. Los que se deben a la profundidad de inmersión, etc.

En aplicaciones industriales se protege los termómetros con una vaina o cubierta de metal, que puede ser acero (generalmente inoxidable) o bronce, latón, aluminio, níquel.

El vidrio tiene una forma convexa que permite ampliar mediante efecto óptico el ancho del capilar lleno de fluido al efecto de visualizar más fácilmente la temperatura.

El espacio entre el bulbo y la vaina se rellena de algún material altamente conductor térmico como un aceite de silicona, o fino polvo de cobre o bronce para obtener constantes de tiempo lo más pequeñas posibles, por ejemplo del orden del medio segundo. En los últimos años se han desarrollado encapsulados transparentes de teflón a fin de evitar contaminaciones en caso de rotura. Los termómetros se calibran para ser usados de diversos modos por ejemplo:

Inmersión Parcial

Se sumerge el bulbo en el fluido cuya temperatura se quiere medir.

Inmersión Total

Se sumerge toda la columna de líquido de medición.

Inmersión completa

Se sumerge todo el termómetro.

Los termómetros de mercurio pueden tener electrodos que le permitan una o más salidas eléctricas puntuales, uno de los electrodos va en el bulbo y los otros a distintas temperaturas fijas.

Los termómetros de máxima tienen una restricción a la salida del bulbo que impide el fácil retorno del mercurio a l mismo. Se debe agitar en forma violenta el termómetro para lograr este retorno.

Aplicación clásica de lo antedicho es el termómetro clínico.

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TERMÓMETRO BIMETÁLICOS

Dentro de los termómetros bimetálicos se encuentra la tira bimetálica, la cual está formada por dos metales diferentes soldados entre sí en forma longitudinal.

Cuando se calientan ambos metales se dilatan, como uno de ellos tiene mayor coeficiente de expansión, la tira se dobla.

Para que se produzca un movimiento apreciable dentro de un espacio pequeño, se arrolla estas cintas bimetálicas en helicoides. El extremo libre de esta cinta acciona un eje que tiene una aguja indicadora.

Se usan mucho en la industria por ser fácil de leer y es más robusto que del bulbo.

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Fig. N° 2 Termómetros de Inmersión



En general se colocan dentro del tubo dos espirales concéntricos de sentidos contrarios para eliminar efectos no deseados, y tener longitudes grandes para obtener elevadas sensibilidades.

TERMOCUPLAS

Una termocupla es un sensor para medir temperatura. Consiste en dos cables de metales distintos, conectados en un extremo donde se produce un pequeño voltaje asociado a una temperatura. Ese voltaje es medido por un termómetro de termocupla.

Una corriente fluye en un circuito continuo de dos alambres de distintos metales, si las conexiones o uniones se encuentran a temperaturas distintas. La corriente será proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones.

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Fig. N° 4 Temperaturas para termómetros bimetálicos

Fig. N° 3 Termómetro Bimetálico



En la figura, el instrumento actúa como conductos entre los dos alambre A y B para formar una juntura. Cuando los alambres no forman ellos mismos una juntura fría, es común hablar de una juntura de referencia.

Dado que los alambres aptos para formar termocuplas son caros, es común insertar alambres de cobre entre la juntura caliente y la de referencia, en particular cuando la distancia entre ellas es grande. El uso de un tercer metal en el circuito no afecta la precisión de la determinación de la temperatura; siempre que haya sido igual la temperatura en todas las uniones del tercer metal con los metales de la termocupla.

Hay dos métodos comunes para la determinación de la f.e.m. producida por la diferencia de temperatura. Uno de ellos es el método del galvanómetro y el otro, el método del potenciómetro.

El método del galvanómetro se basa en el hecho de que la lectura de un galvanómetro es proporcional a la corriente que circula por él. Este tipo de instrumento se usa mucho en la industria.

MATERIALES UTILIZADOS

Termocupla: Fisher Scientific (-40 – 1200° C) Error: 0.01 °C

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Fig. N° 5 Termocupla



Termómetro de inmersión total: Premiere (20 – 150° C) Error: 1° C.

Termómetro de inmersión parcial 1: (-10 – 250° C) 76mm altura de inmersión. Error: 1° C

Termometro de inmersión parcial 2: Propper Trophy (-10 – 150° C) 3” altura de inmersión. Error 1° C.

Termómetro bimetálico: Roto Therm (-30 – 60). Error 1°C. Para gas y liquido (Inmersión: 2” liquido – 4” gas).

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Fig. N° 6 Termocupla



Maquina mezcladora de aceite para calibración de termómetros: AMINCO, AMERICAN INSTRUMENT COMPANY.

PROCEDIMIENTO

Reconocimiento de los instrumentos.

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Fig. N° 7 Termómetros utilizados en la experiencia

Fig. N° 8 Máquina para calibración



Escoger el termómetro patrón (termocupla).

Ubicar cada uno de los instrumentos en el lugar correspondiente del mezclador de

aceite.

Encender la máquina y medir la temperatura de cada instrumento en un intervalo de 5°

C.

Anotar los datos y especificaciones de los instrumentos.

CÁLCULOS Y RESULTADOS

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Calibración de termómetros

Además:

Error Absoluto=Tmedida−Tpatrón

Error Relativo%=Tpatrón−TmedidaTpatrón

GRAFICO 1

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Tabla N° 1 Temperaturas obtenidas

INMERSIÓN PARCIAL (PATRÓN)

INMERSIÓN TOTAL I

BIMETÁLICOINMERSIÓN

TOTAL II

TP (°C) T1(°C) T2(°C) T3(°C)

40 40 35 39

45 44 39 43

50 50 43 48

55 55 49 54

60 59 53 59

65 64 57 64

70 68.5 62 69

75 74 67 74

80 78.5 73 79

85 83 76.5 83.5



GRAFICO 2

PARCIAL BIMETÁLICO Error relativo T2

Error absoluto T2

TP T2 %

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Tabla N° 3 Termómetro de Inmersión

Parcial y Termómetro Bimetálico

30 40 50 60 70 80 9030

40

50

60

70

80

90

Termómetro Patrón VS Termómetro Inmersión Total I

Curva id...

Termómetro inmersión total I (°C)

Ter

móm

etro

Pat

rón

(°C

)Tabla N° 2 Termómetro de Inmersión Parcial y

Termómetro de Inmersión Total I

PARCIAL TOTAL IError Relativo T1

Error absoluto T1

TP T1 %

40 40 0 0

45 44 2.22 -1

50 50 0.00 0

55 55 0.00 0

60 59 1.67 -1

65 64 1.54 -1

70 68.5 2.14 -1.5

75 74 1.33 -1

80 78.5 1.88 -1.5

85 83 2.35 -2

EProm=1.31 Eprom=-0.9



40 35 12.5 -5

45 39 13.33 -6

50 43 14.00 -7

55 49 10.91 -6

60 53 11.67 -7

65 57 12.31 -8

70 62 11.43 -8

75 67 10.67 -8

80 73 8.75 -7

85 76.5 10.00 -8.5

Eprom=11.56 Eprom=-7.05

GRAFICO 3

PARCIAL TOTAL II Error Relativo T3

Error absoluto T3

TP T3 %

40 39 2.5 -1

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30 35 40 45 50 55 6030

35

40

45

50

55

60

Termómetro patrón VS Termómetro Bimetá-lico

Curva real

Termómetro bimetalico(°C)

Ter

móm

etro

Pat

rón

(°C

)

Tabla N° 4 Termómetro de Inmersión Parcial y

Termómetro Inmersión Total II



45 43 4.44 -2

50 48 4.00 -2

55 54 1.82 -1

60 59 1.67 -1

65 64 1.54 -1

70 69 1.43 -1

75 74 1.33 -1

80 79 1.25 -1

85 83.5 1.76 -1.5

Eprom=2.17 Eprom=-1.25

CONCLUSIONES

De las gráficas de calibración se desprende que el termómetro bimetálico está

descalibrado. Esto se evidencia en su curva de calibración en el GRÁFICO 2.

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30 40 50 60 70 80 9030

40

50

60

70

80

90Termómetro Patrón VS Termómetro Inmersión

Total II

Curva ideal

Termómetro inmersión total II (°C)

Ter

móm

etro

Pat

rón

(°C

)



Para el caso del termómetro de inmersión total I se observa que su error relativo

promedio es 1.31% (Tabla Nº2) lo que se interpreta como una desviación

pequeña del valor real, además notamos que es el que está mejor calibrado.

De la Tabla N° 4 se observa que para el termómetro de inmersión parcial II, el

porcentaje de error no llega al 2%, por lo que se deduce que su curva de

calibración es cercana a la ideal.

Para todas las curvas de calibración la desviación dependió del termómetro

patrón utilizado.

RECOMENDACIONES

Se recomienda medir la temperatura y presión a la cual se encuentra el

ambiente.

Para una mejor medición de la temperatura, usar lo menos que sea posible el termómetro bimetálico, pues como vemos en la gráfica Temperatura vs Lectura patrón, este presenta una mayor desviación (error).

BIBLIOGRAFIA

[1] Marks (2004) Manual del ingenierio mecánico. Lima

[2]Medidas de temperatura (1996) Calibración de termómetros.

ANEXOS

PROYECTO

USO

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Por una tubería, expuesta al ambiente de agua pasará agua a un caudal cualesquiera a la temperatura de 80°C con un error de +- 3°C, con un diámetro de 4 pulgadas, seleccionar el termómetro adecuado para medir la temperatura en dicha tubería.

TIPO

1) Termómetro de vidrio o de líquidos:

Hechos con vidrio sellado, muestra la temperatura por medio del nivel al que llega el mercurio o alcohol en una escala graduada. Estos líquidos se dilatan y contraen debido a los cambios de temperatura. Generalmente, la escala de medición que usa es Celsius, aunque también se puede expresar en grados Fahrenheit. Actualmente estos termómetros contienen alcohol coloreado debido al peligro que significa el contacto con el mercurio.

2) Pirómetros o termómetros sin contacto:

Estos miden la temperatura a partir de la radiación de calor emanada por los objetos. Estos termómetros permiten utilizarse si tener que tocar los objetos, lo que permite medirlos cuando están en movimiento o alejados, así como también cuando sus temperaturas son muy elevadas.

3) Termómetros con lámina bimetálica:

Como su nombre indica, están compuestos por dos láminas de metálicas cuyos coeficientes de dilatación son diferentes. Cuando se produce un cambio de temperatura, una de las láminas se curva primero y este movimiento se traduce en una aguja que señala la temperatura.

4) Termómetros de gas:

Esta clase de termómetros puede funcionar tanto a volumen como a presión constante. Al poseer un sistema de medición muy preciso, suelen ser utilizados para ajustar otros termómetros.

5) Termómetros de resistencia:

Estos miden la temperatura a través de un alambre de platino que es unido a una resistencia eléctrica que cambia según la temperatura. Generalmente se usa para medir temperaturas exteriores, es muy preciso, aunque lento..

6) Termómetros digitales:

Estos termómetros miden la temperatura por medio de un circuito electrónico. La información que captan es enviada a un microchip que la procesa y la muestra numéricamente en la pantalla digital. Son de fácil uso, rápidos, precisos y económicos.

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Sería complicado poner un termómetro de los vistos en el laboratorio, dicho termómetro, no debería ser móvil, sino fijo, pegado a la tubería, debe tener un medidor tal que tenga una buena facilidad de medida de temperatura, un error menor con hasta +-5°C, y que además de poder medir la temperatura de 80°C, sobrepase ese límite y pueda medir hasta una mayor temperatura.

Sabiendo estas especificaciones de nuestro termómetro llegamos a la conclusión que usaremos un termómetro tipo digital.

OPCIONES

SELECCIÓN

Elegimos el Sensor de abrazadera de tubo del tipo Rosemount 0085 porque:

Modelo: 0085 pt100 sensor de temperatura Uso: industrial

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Rosemount 0085



Rango de temperatura: -200 °C a 300 °C (-328 °F a 572 °F) Rango de temperatura ambiente: -50 °C a + 85 °C (-60 °F a 185 °F) Resistencia a la vibración: 3G Tamaño: 20 mm (1/2") a 1219 mm (48") pipe

PROVEEDOR

Rosemount 0085

Fabricado por: EMERSON PROCESS

Características

Diseño no intrusivo (que no penetra la tubería o la deforma) para medición de temperatura en forma rápida y sencilla en aplicaciones con tuberías

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Sensores de temperatura RTD de platino con punta de plata o níquel Los conjuntos de temperatura integrados proporcionan ahorros en tiempo y costos El conjunto integrado con transmisor de temperatura 248 o 648 inalámbrico proporciona

flexibilidad de montaje y precisión únicas para equipo de montaje en campo a fin de realizar mediciones de temperatura en tuberías

Importante antes de la instalación

A continuación se muestra un sumario de los pasos necesarios para completar la instalación de un sensor de abrazadera de tubo.

1. Determinar si el sensor de abrazadera de tubo se debe colocar dentro del sistema de tubería.

2. Establecer la orientación adecuada, según lo determine la aplicación en cuestión. 3. Confirmar la configuración.4. Montar el sensor y apretar los pernos de la abrazadera. 5. Revisar el ajuste del conjunto del instrumento a la tubería. 6. Revisar que haga contacto completamente entre la punta del sensor de

termorresistencia y la tubería.7. Conectar el instrumento. 8. Suministrar alimentación al transmisor. 9. Comisionar el instrumento(comprende la realización de pruebas de funcionamiento y

comunicaciones bajo condiciones simuladas, las pruebas PRE-Arranque y las pruebas operacionales)

Instalación

Paso 1: determinar la orientación adecuada El sensor de abrazadera de tubo debe montarse en una posición segura para garantizar que no exista movimiento giratorio después de la instalación. El mejor procedimiento de montaje consiste en instalar el sensor verticalmente.

Paso 2: instalar el sensor de abrazadera de tubo Montar el sensor de abrazadera de tubo y apretar los pernos.

Paso 3: instalar el transmisor Para obtener información sobre la instalación del sensor-transmisor, consultar el manual adecuado correspondiente al transmisor.

Paso 4: comisionar el transmisor Para obtener información sobre el comisionamiento del transmisor, consultar el manual adecuado correspondiente al transmisor.

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Ventajas

Los comprobados sensores de abrazadera de tubo proporcionan un excelente funcionamiento y fiabilidad

o La mayor precisión y la mayor estabilidado Menor tiempo de respuesta con punta de plata y níquel

Implementación e instalación sencillas en aplicaciones existentes o Disponible en una amplia variedad de tamaños de tubería y materiales o Instalación con solo dos pernos – no se necesita soldadura o Contacto superficial optimizado gracias al diseño de sensor cargado por resorte

Menor riesgo de fallos del sensor y de paradas no programadas o Evita las tensiones relacionadas con el caudal, la presión, el contacto con productos

químicos, la abrasión, la vibración y las curvaturas o Mantenimiento del sensor con parada del proceso

Logre la eficiencia óptima con una gama de transmisores Rosemount inalámbricos o Mida temperatura en cualquier parte

Tabla de pedidos

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Señalamos el diámetro que queremos para hacer el pedido, en este caso sería de 4 pulgadas en la tubería, mandaremos el pedido a la empresa EMERSON PROCESS.

PRECIO

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Para saber el precio mandar un correo

[email protected]

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Referencia

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