Metrologia termica

download Metrologia termica

of 36

  • date post

    10-Aug-2015
  • Category

    Documents

  • view

    572
  • download

    10

Embed Size (px)

Transcript of Metrologia termica

Captulo 21

Metrologa trmica

ExperimentacinEl mtodo cientfico requiere la contrastacin de las predicciones (analticas y numricas) con resultados de sxperimentos, esto es, de ensayos especficos excitados a propsito y destinados a medir ciertas variables. Se llama magnitud fsica a toda variable medible. Tambin se desea medir las variables en fenmenos naturales (no se prepara artificialmente un experimento). Aunque las medidas experimentales pueden tener un carcter meramente cualitativo (p.e. comprobar que si se suelta un cuerpo cae), las medidas de mayor inters son las cuantitativas (en realidad, cualitativo y cuantitativo no son ms que diferentes grados de precisin, y todo conocimiento, o es cuantificable, o no es conocimientol). Las medidas experimentales pueden tener como fin el registro de las condiciones del experimento (o del fenmeno natural) o servir para regular y controlar procesos (en el laboratorio y en la industria). Medir es comparar una variable con un patrn o unidad para obtener una relacin de orden con sus mltiplos y submltiplos, mientras que controlar es comparar una variable dada con una variable deseada (llamada funcin objetivo) para actuar en consecuencia (mediante accionadores) y tratar de forzar que coincidan. Cuando en el control se compara con un valor constante de referencia, se llama regulacin (en vez de control propiamente dicho). El proceso de medida no implica la actuacin de un observador, como resulta evidente en los sistemas de regulacin automtica. La preparacin del experimento se debe hacer tratando de que slo aparezca la influencia de las variables de inters, aislndolas de las dems o resaltndolas de alguna otra manera (p.e. haciendo que ellas cambien y las otras no), utilizando los instrumentos de deteccin adecuados, y analizando el resultado (la mayora de las veces para ver si se consigui aislar las variables de inters y rectificar si no). Para facilitar la medida conviene que la evolucin del sistema sea estacionaria (y mejor an que su estado sea de equilibrio) para no tener que considerar las condiciones iniciales, las cuales han de ser perfectamente conocidas si se trata de evoluciones transitorias.

MetrologiaMedir una magnitud es compararla con un patrn de esa magnitud, universalmente aceptado, aplicando una relacin de orden (que debe estar claramente definida y aceptada1. P.e., jcmo saber si al dejar un cuerpo cac'!; ,y si cayese a velocidad despreciable?.

538

l. Martnez: TERMODINAMICA BASICA Y APLICADA

universalmente) que permita, por rplica del patrn o particin equitativa de ste, alcanzar el grado de precisin (cifras significativas) deseado en la medida. La medida se expresa con un nmero (que mide el resultado de la comparacin con el patrn) y la unidad a la que se refiere (esta ltima informacin es esencial, al ser comn la utilizacin de mltiplos y submltiplos de las unidades, e incluso el uso de unidades no pertenecientes al Sistema Internacional). Las condiciones del proceso de medida deben ser descritas de tal manera que se pueda reproducir en otro instante espacio-temporal. Ntese que slo se ha hecho referencia a una nica magnitud en el proceso de medida. Sin embargo, resulta a veces ms prctico (es decir, ms sencillo y preciso) realizar la medida indirectamente por relacin con otras magnitudes (que se miden con sus respectivos patrones), que no por comparacin directa con un patrn suyo propio. En este caso, la relacin entre la magnitud derivada y las otras debe estar claramente definida y universalmente aceptada. Siempre existir una relacin funcional que se podr poner como:variable-deseada =f(variab1e-observada, otras-variables)

Por ejemplo, si se desea medir una distancia, puede utilizarse la relacin:distancia-al-objeto =f(tiempo-del-reflejo, velocidad-de-la-luz)

dondef, que se llama funcin de calibracin, en este caso se elige de la forma:

con c = cte

y que sirve para prescindir del patrn "metro" y utilizar en su lugar el patrn "segundo" (de hecho, desde 1983 el metro se define como la distancia que recorre la luz en el vaco en llclruzsegundos, donde clluzes una constante fijada internacionalmente,Tabla A.l). Otro ejemplo de ms inters aqu es la medida indirecta de temperaturas T en funcin de la presin p de un gas encerrado a volumen constante V y bajas presiones:temperatura-del-entorno=f(presin-delgas,propiedades-de-los -gases-a -bajasgresiones)

que en este caso se elige de la forma:

aiple

H2

IV gas cuandop40

y que sirve para prescindir del patrn "kelvin" y utilizar en su lugar los patrones "kilogramo", "metro" y "segundo" que entran en la definicin de las variables del segundo miembro.

Cap. 21: METROLOGIA TERMICA

539

Sin embargo, ya en este segundo ejemplo empiezan a surgir dudas sobre la universalidad de la ley, porque, a diferencia del primer ejemplo, donde la constancia de la velocidad de la luz en el vaco es un postulado bsico (universalmente aceptado) de la fsica moderna, el hecho de que el segundo miembro de (21.2) no dependa del gas usado es slo una tendencia experimental al ir disminuyendo la presin en sucesivos ensayos a volumen constante (no es un postulado). Un tercer ejemplo tratar de aclarar todava ms el problema. Se trata de la relacin entre la temperatura y la resistencia elctrica R de un hilo de platino: temperatura-del-entorno =f(resistencia-elctrica-delglatino, propiedades-delglatino) que en este caso se elige de la forma:

normalmentef = 1+ UR + b~~ con a = cte y b = cte] En este caso se comprende que esta ley no puede ser tan universal como las anteriores, porque est basada en una sustancia especfica (servira un platino con una parte por milln de impurezas de tal o cual clase?) y en una funcin experimental AR) de la resistencia elctrica R, sobre la cual podra ser difcil un acuerdo unnime (tipo de funcin, nmero de trminos, valor de los coeficientes). En la prctica, se eligen unos pocos patrones bsicos (en el actual S.I. hay 7 unidades bsicas) y el resto de las magnitudes se miden con ellos con frmulas claramente definidas, y se sigue hablando de patrones primarios (como en los ejemplos 1 y 2). Cuando se utilizan otras relaciones menos ntidas (como en el tercer ejemplo anterior) se habla de patrones secundarios, que se calibran con los patrones primarios (para tratar de mantener la universalidad de la medida) y suelen ser de gran utilidad prctica. Pueden definirse y calibrarse muchos tipos de patrones secundarios, que se eligen en funcin de los rangos de la magnitud a medir o de otras circunstancias experimentales (p.e. se pueden medir espesores por tiempo de reflexin, por interferometra, por absorcin de radiacin, etc., temperaturas por dilatacin, por resistencia elctrica, por termoelectricidad, por emisin de radiacin, etc).

lnstrumentacidnLos instrumentos son dispositivos de medida o de control de las variables de un proceso. Tradicionalmente se distingua segn la terminacin de su nombre en: -scopio (cualitativo y visual), -metro (cuantitativo y visual), y -gafo (registro cuantitativo sobre papel), aunque existe una tendencia general a usar siempre la terminacin -metro, y a que toda la instrumentacin sea elctrica, para aprovechar la potencia de tratamiento de la informacin que tienen los microprocesadores digitales, siguiendo el esquema general de la Fig. 21.1. El tratamiento digital posibilita las siguientes tareas:

l. Martnez: TERMODlNAMlCA BASICA Y APLICADA

- muestreo redundante para minimizar el efecto del ruido aleatorio, - muestreo simultneo para obtener variables combinadas, - muestreo rpido para seales transitorias, - presentacin de datos elaborados en tiempo real,

que de otra forma resultan impensables o muy complejas (se puede utilizar un registro masivo como la fotografa a alta velocidad y luego hacer el procesado en diferido).

--

FvTpSensor

mV

PA

0..5 V mA Acondicionador . de seal estn ar

ADC

1 e s t n d d "1

8 bit 1 6 bit

IEEE

RS-232 estn!r

Sensor Actuador fuerza

Acondicionador de seales y fuente de alimentacin

Fig. 21.1. Diagrama de bloques de los flujos de informacin en los proceso esindar de medida a) y control b). ADC y DAC son convertidores analgico-digital y digital-analgico, respectivamente, los cuales pueden estar dedicados a una lnea, o mulliplexados (exploracin secucncial de lneas), pP es microprocesador, y las olras etiqucllis corresponden a ejemplos rcprcscnlativos.

Debido a la comodidad de la transmisin elctrica (remota, limpia y fcilmente gobernable), la mayora de los transductores transforman las variables fsicas en elctricas (los sensores) o viceversa (los actuadores), por lo que el elemento ms comn de todos los instrumentos es el multmetro, que es esencialmente u n voltmetro con unos circuitos accesorios que le permiten medir intensidades y resistencias elctricas, adems de voltajes. Hay dos grandes tipos de voltimetros, los analgicos y los digitales. Loa analgicos estn basados en la deflexin de una espira por la que circula una corriente en un campo magntico permanente (para comente continua) o sincrnicamente excitado por la misma corriente (en alterna), es decir, en el galvanmetro. Los voltmetros digitales estn basados en un voltaje de referencia, un divisor de tensin lineal, un reloj y un comparador. Como muchos sensores estn normalizados (p.e. termopares), muchos acondicionadores de seal son tambin estndar. Los acondicionadores de seal incluyen a veces otros sensores, como los sensores del punto cero en los temlopares. En realidad, en lugar de hacer un acondicionamiento de seal especial para cada sensor (p.e. linealizacin de la respuesta del termopar y diferencia de temperatura de referencia), se pueden usar simples acondicionadores de rango de voltaje o intensidad, y dejar todas las correcciones para el microprocesador, aunque