MEDICIN DE TEMPERATURAS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

LABORATORIO N3: MEDICIN DE TEMPERATURA

CURSO:LABORATORIO DE ING MECANICA

DOCENTE:SIFUENTES JORGE FAVIO

GRUPO:1B

INTEGRANTES:

CHAMORRO DUEAS EFRAINCOD:20101330KHUACHACA MEJIA RAULCOD:20102644IAPARCO RAMOS WILLIAMCOD:20080056B

LIMA-PERU

2015

INDICE

I.- OBJETIVOS.........................................................................................Pag. 2

II.- FUNDAMENTO TEORICO.............................................................Pag. 2

II-1.- TIPOS DE PRESIONPag. 2

II-2.- MEDIDORES DE PRESION ESTATICAPag. 3

III.- EQUIPOS Y MATERIALES...........................................................Pag. 7

IV.- PROCEDIMIENTO..........................................................................Pag. 8

V.- TABLAS Y GRAFICOS.....................................................................Pag. 10

TABLA 01 Datos de presin ascendente y descendentePag. 10

GRAFICO 01 - CURVA DE CALIBRACINPag. 12

VI.-OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES.. Pag.13

VII.- BIBLIOGRAFA.............................................................................Pag. 14

MEDICIN DE TEMPERATURAS

INFORMACIN DE LOS INSTRUMENTOS USADOS

Qu es La Temperatura? La temperatura es el grado de agitacin molecular de las sustancias que se manifiesta cuando el material se dilata o comprime ,empricamente se entiende como el grado de caliente o fro que presenta un cuerpo de acuerdo a un patrn. Segn la teora molecular la temperatura, como magnitud, mide la energa cintica media de las molculas de una sustancia. Segn la fsica estadstica la temperatura se define como sensibilidad de la energa a los cambios de entropa a volumen constante. Asignar un valor numrico a una temperatura plantea un problema importante. La mayora de las magnitudes fsicas suelen ser magnitudes extensivas (a partir del patrn de la unidad se pueden definir de forma sencilla mltiplos y submltiplos de ella). La temperatura, en cambio, pertenece al grupo de las llamadas variables intensivas (multiplicar o dividir por un nmero el valor de un temperatura no tiene significado fsico alguno).Nos encontramos entonces frente al dilema de qu instrumentos utilizar para medir esta variable de la materia. Existen muchos tipos de termmetros: de dilatacin de lquido como por ejemplo el famoso termmetro de mercurio de gas de volumen constante que por su precisin se utiliza para graduar otros termmetros de resistencia que depende de la variacin de la resistencia a la temperatura termocupla que se basan en fenmeno termoelctrico y cubren el rango de temperaturas que va desde -200 C a +2000 C. A continuacin describiremos los instrumentos que usaremos

TERMMETROS DE COLUMNA DE LQUIDA

Generalidades:Fue Galileo a comienzos del siglo XVII el precursor del termmetro de columna de lquido, aunque l utiliz aire como fluido termomtrico. Durante los siguientes 100 aos fueron evolucionando los lquidos de uso, primero agua y despus alcohol. Otro gran paso en su evolucin se dio al sellarlos y hacerlos independientes de la variacin de presin atmosfrica. Pero no fue hasta el siglo XVIII cuando Fahrenheit dise y construy un termmetro utilizando mercurio como fluido termomtrico. A partir de entonces la concepcin del termmetro de columna de mercurio apenas ha variado, solamente en la utilizacin de fluidos que permiten alcanzar temperaturas ms altas y en las precisiones alcanzadas.Un termmetro de columna de lquido consiste bsicamente en una varilla de vidrio, hueca en su interior, con un dimetro adecuado a su longitud, cerrada hermticamente en la parte superior, y con un bulbo en la parte inferior que contiene el lquido termomtrico. El espacio interno del capilar desde el bulbo hasta el tope superior puede estar evacuado al vaco o lleno con un gas seco inerte.La varilla est graduada en valores relativos a una escala de temperatura, y la indicacin de temperatura viene dada por la posicin del menisco formado por el lquido en el capilar.

TIPOS DE INMERSINCada tipo de termmetro se fabrica para leer valores correctos a una determinada profundidad de inmersin, y as se dividen en termmetros de inmersin total, parcial o completa.

Termmetros de Inmersin Total. Este tipo de termmetros estn graduados por el fabricante para dar lecturas correctas cuando el bulbo y la parte de varilla que contiene el lquido termomtrico estn totalmente inmersas en el medio isotermo. Pese a su nombre, no es recomendable que est inmerso el segmento de la varilla por encima del menisco. El calentamiento de esta parte a altas temperaturas dara lugar a un aumento excesivo de la presin del gas, produciendo lecturas errneas y en ocasiones daos permanentes en el bulbo.Termmetros de Inmersin Parcial. En muchas circunstancias el uso de termmetros de inmersin total es difcil o imposible. Por ello se utilizan termmetros cuya escala est diseada para dar lecturas correctas cuando se hallan sumergidos a una profundidad especfica. No es necesario realizar ningn tipo de correccin por columna emergente cuando se usan en las condiciones especificadas.Termmetros de Inmersin Completa. Un tercer tipo, y tambin el menos comn, corresponde a aquellos termmetros que estn diseados para dar lecturas correctas cuando todo l est inmerso en el medio termomtrico. La precisin de estos termmetros es inferior a la de los otros dos tipos, debido entre otros al hecho de no poder visualizar bien el menisco.

Termmetros de inmersin parcial, total y completa (de izquierda a derecha)

TERMMETRO DE VIDRIOEste se construye para inmersin total o parcial. Termmetro de bulbo o capilar metlico.Los termmetros tipo bulbo consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el lquido en el bulbo se expanden y el espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevacin de la temperatura en el bulbo.

Existen cuatro clases:1. Termmetros actuados por lquidos. 2. Termmetros actuados por vapor. 3. Termmetros actuados por gas. 4. Termmetros actuados por mercurio.

Medidores tipo bimetlicos.

El elemento sensor est conformado por la unin de dos metales diferentes y por consiguiente cada uno tiene un coeficiente de dilatacin por efectos de temperatura diferente de tal manera que las diferencias en unos son compensados en el otro; la unin de stos dos materiales puede ser en toda su longitud o solamente por uno de sus extremos.Cuando la unin se hace en toda su longitud el elemento as conformado se enrosca en forma de resorte, uno de sus extremos va soldado a la cubierta que lo protege y el otro va unido por medio de un eslabn a una pluma o puntero que se energiza sobre una escala. Se conforman as los instrumentos indicadores. Cuando el bimetlico se calienta tiende a desenrollarse transmitiendo este movimiento por medio del eslabn a la pluma o puntero, stos medidores son de una velocidad de respuesta rpida, de muy buena precisin y de muy bajo costo.Como los puntos de unin entre: el puntero y el eslabn, el eslabn y el bimetlico, el bimetlico y la cubierta protectora son soldados; hacen que el instrumento sea desechable en caso de que una de stas soldaduras falle y el nico punto de ajuste que tiene es el de cero, desplazando la banda bajo el puntero.Cuando la unin de los dos metales se realiza solamente por uno de sus extremos, en los extremos libres se colocan unos topes que impiden una dilatacin lineal para que cuando el bimetlico se caliente su deformacin sea en forma de curva o de arco.

Esta forma de dilatacin permite accionar un microswich o el desplazamiento de una pluma o puntero sobre una escala. Es apropiado para medir temperatura sobre superficies planas.

TERMMETROS

Bimetlicos

Angulo variable - AA575 RTEL TRU - Series AA - BC GT

* Clase 1 * Rangos desde -100 hasta 550 C. * Dimetros de 3, 4 y 5''.* Construccin en AISI 304, IP65

Conexin inferior BC350RTEL TRU - Series AA - BC GT

* Partes en contacto con el fluido en AISI 316.* Conexin roscada fija o deslizable.* Ajuste de cero.

Conexin posterior - GT300 TEL TRU - Series AA - BC GT

* Diseo de cuadrante para evitar errores de paralaje. * Sensor bimetlico inmerso en silicona para amortiguacin y mejor velocidad de respuesta.

Medicin en superficie TEL-TRU - Series DM - TB - SH - CS

* Rangos desde -70 a 70 C hasta 100 a 400 C. * Fijacin magntica, con prisioneros o con abrazaderas. * Precisin 2% de la escala.* Dimetro 2''.

Termocuplas

Una termocupla es un sensor para medir temperatura. Consiste en dos cables de metales distintos, conectados en un extremo donde se produce un pequeo voltaje asociado a una temperatura. Ese voltaje es medido por un termmetro de termocupla. Las mediciones de temperatura que utilizan termocuplas o termopares se basan en el descubrimiento hecho por Seebeck en 1821. Este se puede resumir de la siguiente manera: 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 ser proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones. Lo anterior se puede representar segn el siguiente esquema en que la sonda termoelctrica acciona el galvanmetro (aparato para fuerzas electromotrices):

En la prctica, la soldadura de referencia permanece a temperatura ambiente, en general dentro del mismo instrumento. Como usualmente el galvanmetro est a apreciable distancia (entre 1 y 100 metros) de la soldadura caliente y sera muy costoso prolongar metales de la termocupla hasta esas distancias, se intercala entre la termocupla y el galvanmetro un cable llamado cable de compensacin. Este es de una aleacin especial que no forma termocupla con los metales ni con los bornes del instrumento, no alterando prcticamente las indicaciones del galvanmetro. Lo anterior se puede representar segn el siguiente esquema:

Si bien es cierto que cualquier par de metales forma una termocupla solo son algunos los que, por sus cualidades, relevantes, se usan en la prctica. Cada una de estas termocuplas ofrece curvas tpicas de FEM. Vs. Temperatura. Para cada una de ellas se fabrican galvanmetros especiales, que generalmente estn graduados directamente en grados de temperatura y ms raramente en miliVolts (mV). Las termocuplas tienen generalmente dimensiones de entre 20 y 100 cm. y van aisladas, por ejemplo, con cuentas de cermica y protegidas por vainas cermicas o metlicas. Los dos extremos libres de los alambres de la termocupla concluyen en una placa de cermica con dos terminales donde se fijan y desde donde parte el cable compensado hasta el galvanmetro.

Caractersticas de las Termocuplas

Distintos tipos de termocuplas: J, K, T, E. Existen distintas combinaciones de metales o calibraciones respectivas. Los cuatro tipos ms tpicos son J, K, T y E. Cada calibracin tiene distinto rango de temperatura y ambiente, aunque la temperatura mxima vara con el dimetro del cable usado en la termocupla. Ya que las termocuplas pueden medir amplios rangos de temperatura y son bastante resistentes, son muy usadas en la industria. Los siguientes criterios pueden ser tiles para definir los tipos de termocupla a utilizar: rango de temperatura que se desea cubrir. resistencia qumica de la termocupla. resistencia a vibraciones. requerimientos de instalacin (compatibilidad con equipamiento existente).

Las calibraciones ms comunes son las siguientes:

Hierro-Constantan (J).rango: - 250 a + 1000C. mxima medida en mV: 51,9 a 900C.

Chromel-Alumel (K).rango: + 500 a + 1250C. mxima medida en mV: 32,4 a 800C.

Cobre-Constantan (T).rango: - 250 a + 600C. mxima medida en mV: 33,6 a 600C.

Cromel-Constantan (E).rango: + 300 a 1000C. mxima medida en mV: 300 a 1000C.

A continuacin se representan curvas de relacin entre F.E.M vs. temperatura de las termocuplas ms usuales:

Cada tipo de termocupla exige un tipo de cable de compensacin, y es necesario respetar su polaridad para no anular el efecto de la termocupla.

Fabricantes

Termocuplas industriales

Termocuplas para altas temperaturas

OMEGA - MDS116 Type J Thermocouple Benchtop Thermometer

PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO

1. Se coloca los termmetros en el aceite en forma correspondiente tanto los de inmersin total como los de inmersin parcial.

2. Con el termostato graduamos la temperatura a la cual llegara el sistema (se produce un aumento de temperatura).

3. Encendemos el calibrador. El calibrador tiene 3 velocidades de calentamiento escogemos la mas rpida.

4. Esperamos a que el sistema llegue a su temperatura mxima determinada esto queda establecido por lo ya marcado en el termostato (cuando la luz amarilla se apaga).

5. Luego medimos la temperatura del ambiente donde estn inmersos los termmetros.

6. Procedemos a tomar las lecturas de los termmetros: termmetro patrn. (termocupla) termmetro de bulbo de inmersin parcial. termmetro bimetlico. termmetro termocupla.

7. Con ello obtendremos un punto que nos servir para construir nuestras grficas.

8. Luego procedemos a buscar otro punto para las graficas con un aumento de temperatura del sistema lo cual se logra graduando nuevamente el termostato.

9. Repetimos los pasos 4, 5 y 6 hasta obtener suficientes puntos para construir nuestras curvas de calibracin.

10. Finalmente se procede a construir las grficas en funcin a los datos reales obtenidos en el instrumento patrn.

DATOS EXPERIMENTALES

NUMERO DE MEDICINTERMOCUPLA (PATRON)BIMETLICOBULBO DE INMERSION PARCIALBULBO DE INMERSION TOTAL

C C C C

128.92429.530

235.1303536

340.9354142

446.8414747.5

552.947.55354

658.1535859

764.15963.865

Tamb = 20 C (Medido con la Termocupla).Observacin: Cabe resaltar que la Termocupla es de la Marca Keithley y es de Ni Cr Ni Al

Condiciones Ambientales:Presin Baromtrica:754 mmHg.T.B.S: 69 F20.53 C.Humedad Relativa:75 %.T.B.H:64 F17.76 C.

Con estos datos experimentales y utilizando el mtodo de los mnimos cuadrados obtenemos las siguientes grficas para cada termmetro:

OBSERVACIONES, RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES

1. Se recomienda que una vez el sistema halla alcanzado su temperatura mxima se proceda a tomar las lecturas, tratando de no demorarse demasiado en las lecturas, para as evitar el enfriamiento del sistema. Cabe resaltar adems que, para obtener una medida mas precisa en nuestros clculos, no todos los instrumentos tienes el mismo tiempo de respuesta, por eso es que no debe acelerarse mucho la toma de medidas, sino que debemos esperar un minuto aproximadamente antes de tomar las medidas.

2. Para el caso de la termocupla en caso no se encontrara en tablas, el valor de temperatura correspondiente, se puede interpolar entre 2 valores cercanos al obtenido en el experimento.

3. Tal como se observa en las graficas, anteriormente expuestas, el comportamiento de las curvas es aproximadamente lineal. De las mismas se concluye que el Termmetro de Bulbo de Inmersin Total es el que mas se aproxima al comportamiento de la termocupla (Patrn) y por lo tanto es la ms aproximada.

4. Tericamente el comportamiento de las curvas debera ser exactamente lineal, pero es posible que nos hayamos tardado en medir las temperaturas del experimento, en consecuencia estos se enfran y tomamos temperaturas errneas.

5. Como se sabe es difcil obtener instrumentos de medicin que nos arroje resultados exactos, por eso es necesario ajustar los puntos obtenidos a la curva requerida.

6. Para la calibracin de los instrumentos nuestra referencia es el termmetro patron el cual nos arroja una temperatura considerada la real. En nuestro caso el Patrn fue la Termocupla y es al que consideramos mas exacto por ser Digital y arrojarnos un valor con menor incertidumbre que los otros instrumentos usado.

7. Al momento de tomar las medidas y teniendo en cuenta que son varios los integrantes del grupo, recomienda que cada una de las persona tome un instrumento y anote las medidas, para as tener estar sincronizados en las medidas.

8. Como en la experiencia realizada se tomo de patrn a la termocupla antes de tomar cualquier medida debemos darnos cuenta que la temperatura en dicho instrumento no vari con el tiempo. Es decir que dicho valor se estabilice y que no este variando.

ANEXO

MEDICIN DE TEMPERATURA Y FLUJO DE CALOR

1. PATRONES Y CALIBRACIN

El International Measuring System (Sistema Internacional de Medidas) estableci estndares para slo cuatro cantidades fundamentales: longitud, tiempo, masa y temperatura. Los estndares de las dems cantidades bsicamente se derivan de stas. Con anterioridad se analizaron los estndares de longitud, tiempo y masa; a continuacin se considera el estndar de temperatura. En primer lugar se deber sealar que la temperatura es fundamentalmente diferente en cuanto a naturaleza de la longitud, tiempo y masa. Es decir, si dos cuerpos de longitud se "combinan", la longitud total es dos veces la original; lo mismo es cierto para dos rangos de tiempo o dos masas. Sin embargo, la combinacin de dos cuerpos a la misma temperatura da por resultado exactamente la misma temperatura. Por lo tanto, la idea de una unidad de masa, longitud o tiempo estndar que pueda ser dividida o multiplicada de forma indefinida para generar cualquier magnitud arbitraria de estas cantidades no puede ser adecuada al concepto de temperatura. Adems, aun cuando la mecnica estadstica relaciona la temperatura con las energas cinticas medias de las molculas, estas energas cinticas (las cuales dependen slo de estndares de masa, longitud y tiempo en cuanto a su descripcin) no son mensurables por el momento. As pues, se requiere un estndar de temperatura independiente.

El significado fundamental de temperatura, como el de todos los conceptos bsicos de fsica, no es fcil de explicar. Para la mayora de los propsitos, la ley cero de la termodinmica da un concepto til. Para decir que dos cuerpos tienen la misma temperatura, stos deben estar en equilibrio trmico; es decir, cuando la comunicacin trmica entre ellos es posible, no cambian las coordenadas trmicas de uno u otro. La ley cero establece que cuando dos cuerpos estn en equilibrio trmico con un tercero, estn en equilibrio trmico entre s. Entonces, por definicin, todos los cuerpos estn a la misma temperatura. Por lo tanto, se puede fijar un medio reproducible de establecer un intervalo de temperaturas, las temperaturas desconocidas de otros cuerpos se pueden comparar con el estndar exponiendo cualquier tipo de "termmetro" sucesivamente al estndar y las temperaturas desconocidas y permitiendo que ocurra el equilibrio en cada caso. Esto es, el termmetro se calibra contra el estndar y posteriormente puede ser utilizado para leer las temperaturas desconocidas.

Al elegir la forma de definir la escala de temperatura estndar, de un modo concebible se podra emplear cualquiera de las muchas propiedades fsicas de los materiales que varan de forma reproducible con la temperatura. Por ejemplo, la longitud de una barra de metal cambia con la temperatura. Para definir una escala de temperatura numricamente, se debe elegir una temperatura de referencia y establecer una regla para definir la diferencia entre la referencia y las dems temperaturas. (Las mediciones de masa, longitud y tiempo no requieren una concordancia universal con un punto de referencia donde se supone que cada cantidad tiene un valor numrico particular. Por ejemplo, cada centmetro, en un metro es igual a cualquier otro centmetro.)

Supngase que se toma una barra de cobre de 1 m de largo, y que se coloca en un bao de agua helada la cual se ha considerado como la fuente de temperatura de referencia, y se mide su longitud. Llmese 0 a la temperatura del bao de agua helada. Ahora se puede definir cualquier regla que se desee para fijar el valor numrico que se asignar a todas las dems temperaturas bajas y altas. Supngase que se decide que cada 0.01 mm de expansin adicional corresponda a + 1.0 en la escala de temperatura y cada 0.01 mm de contraccin 51-1.0. Si el fenmeno de expansin fuera reproducible, semejante escala de temperatura, en principio, sera perfectamente aceptable en tanto que todo mundo se adhiriera a ella. Sera correcto decir que cada grado de temperatura en esta escala es "igual" a cualquier otro grado? Eso depende de lo que se quiera decir por "igual". Si "igual" significa que cada grado provoca la misma cantidad de expansin de la barra de cobre, entonces todos los grados son iguales. Si, en cambio, se considera la expansin de, por ejemplo, barras de hierro, entonces cantidades iguales de expansin, en general, no seran provocadas por un cambio de 1 (escala de cobre) de -6 a -5 como por un cambio de 1 de 100 a 101. O, supngase que la escala se basa en transferencia de calor por conduccin en plata, por ejemplo. Si una diferencia de temperatura de 100 a 200 provoca una velocidad de transferencia de calor dada, ser la misma velocidad provocada por una diferencia de temperatura de -50 a +500? La respuesta, en general, es no.

La idea del planteamiento anterior es que, mientras que la escala de temperatura arbitrariamente definida, en principio, es tan buena como cualquier otra escala semejante basada en las propiedades de material, sus graduaciones no tienen una importancia particular con respecto a las leyes fsicas aparte de la utilizada en la definicin. Se mide la temperatura por alguna razn, tal como calcular la expansin trmica, la velocidad de transferencia de calor, la conductividad elctrica, la presin de gas, etc. Las formas de las ecuaciones para realizar semejantes clculos dependen de la naturaleza del estndar utilizado para definir la temperatura. Una escala de temperatura que da una forma simple a las ecuaciones para expansin trmica puede dar formas complejas a otras relaciones fsicas que implican temperatura. Como esta dificultad es comn a todos los estndares basados en las propiedades de una sustancia particular, es deseable una forma de definir una escala de temperatura independiente de cualquier sustancia. La escala de temperatura termodinmica propuesta por Lord Kelvin en 1848 proporciona la base terica para una escala de temperatura independiente de cualquier propiedad de material y est basada en el ciclo Carnot. En ste, un motor trmico perfectamente reversible transfiere calor de un depsito de capacidad infinita a la temperatura T2 a otro depsito en T1. Si el calor extrado del depsito 2 es Q2 y el suministrado al depsito 1 es Q1, para un ciclo Carnot Q2/Q1 = T2/T1; sta puede ser considerada como definicin de relacin de temperatura. Si, adems, se elige un nmero para describir la temperatura de un punto fijo seleccionado, entonces la escala de temperatura est completamente definida. En la actualidad, el punto fijo se considera como el punto triple (el estado en el cual las fases de slido, lquido y vapor estn en equilibrio) del agua porque ste es el estado ms reproducible conocido. El nmero asignado a este punto es 273.16 K puesto que ste hace el intervalo de temperatura del punto de congelacin (273.15 K) a punto de vapor igual a 100 K. sta coincidira por lo tanto con la escala centgrado previamente establecida (ahora llamada Celsius) por conveniencia.

En tanto que la escala termodinmica Kelvin absoluta es ideal en el sentido de que es independiente de cualesquiera propiedades de material, no es fsicamente realizable puesto que depende de un ciclo Carnot ideal. Por fortuna se puede demostrar que una escala de temperatura definida por un termmetro a volumen o presin constante que utiliza un gas ideal es idntica a la escala termodinmica. Un termmetro de gas a volumen constante mantiene una masa de gas fija a volumen constante y mide los cambios de presin provocados por cambios de temperatura. La ley del gas perfecto da el hecho de que las relaciones de temperatura son idnticas a las relaciones de presin. El termmetro de presin constante mantiene constante la presin y la masa y mide los cambios de volumen causados por los cambios de temperatura. De nuevo, la ley del gas perfecto establece que las relaciones de temperatura son idnticas a las relaciones de volumen. Estas relaciones son idnticas a las de la escala termodinmica; de este modo, si se selecciona el mismo punto fijo (el punto triple del agua) para el punto de referencia, las dos escalas son numricamente idnticas. Sin embargo, ahora se presenta el problema de que el gas ideal es un modelo matemtico, no una sustancia real, y, por consiguiente, los termmetros de gas antes descritos en realidad no pueden ser construidos y operados.Para obtener una escala de temperatura fsicamente realizable, se deben utilizar gases reales en los termmetros de gas; las lecturas deben ser corregidas tan bien como sea posible, en cuanto a desviaciones del comportamiento de gas ideal y luego los valores resultantes se aceptan como definicin de la escala de temperatura. Las correcciones por comportamiento de gas no ideal se obtienen para un termmetro de gas a volumen constante como sigue: El termmetro se llena con una cierta masa de gas, y se agrega mercurio hasta que se alcanza el volumen deseado (vase la figura 8.1). Supngase que esto se hace con el sistema a la temperatura de punto de congelacin. Se mide la presin de gas; llmese Pi1. Entonces, el sistema se lleva a la temperatura de punto de vapor, lo que provoca la expansin del volumen. Si se agrega ms mercurio, sin embargo, el volumen puede ser regresado al valor original. La presin ahora ser ms alta; la llamamos Ps1. Para un gas ideal, la relacin de las temperaturas de punto de vapor y punto de congelacin tambin sera dada por la relacin de presiones Ps1/Pi1. Si se repite este experimento pero se utiliza una masa de gas diferente, se obtiene por lo tanto presiones diferentes de punto de congelacin y punto de vapor Pi2 y Ps2, se encuentra que Ps1/Pi1 Ps2/Pi2. sta es una manifestacin del comportamiento no ideal del gas; un gas ideal tendra Ps1/Pi1 = Ps2/Pi2.

Los gases reales se aproximan al comportamiento de gas ideal si su presin se reduce a cero; por lo tanto, se repite el experimento anterior con masas de gas sucesivamente ms pequeas, y se genera la curva A de la figura 8.lb. Puesto que no se puede utilizar una masa de gas cero, el punto de presin cero en esta curva debe ser obtenido por extrapolacin. Este punto de presin cero se considera como el valor verdadero de la relacin de presin que corresponde a la relacin de temperaturas de punto de vapor/punto de congelacin. Si se repite este experimento con gases diferentes (B, C en la figura 8.1b), todas las curvas se cortan en el mismo punto, lo que demuestra que el procedimiento es independiente del tipo de gas utilizado. Los resultados reales dan el valor numrico Ps/Pi = 1.36609 0.00004. Si se considera Ts/Ti = Ps/Pi, la eleccin de un valor numrico para cualquier punto de referencia elegido (tal como designar Ti = 273.15 K) fija por completo toda la escala de temperatura. Desafortunadamente, semejante escala no es prctica para mediciones de temperaturas cotidianas puesto que los procedimientos implicados son extremadamente tediosos y consumidores de tiempo. Adems, los termmetros de gas en realidad tienen una precisin y repetibilidad ms bajas que algunos otros dispositivos de medicin de temperatura, tales como los termmetros de resistencia. Esta situacin condujo en 1927 a la aceptacin de la International Practical Temperature Scale (IPTS, por sus siglas en ingls) (Escala de Temperatura Prctica Internacional), la cual, con revisiones en 1948, 1954, 1960, 1968 y 1990, es el estndar de temperatura de hoy.

La International Practical Temperature Scale se estableci para ajustarse tan fielmente como fuera prctico a la escala termodinmica. En el punto triple del agua, las dos escalas concuerdan con exactitud, por definicin. Se utilizan otros puntos fijos primarios. stos son los puntos de ebullicin de oxgeno lquido (-182.962 C) yagua (100 C) y los puntos de congelacin de zinc (419.58 C), plata (961.93 C) y oro (1 064.43 C). Tambin se establecen varios puntos fijos secundarios; el ms bajo es el punto triple del hidrgeno (-259.34 C), el cual tambin es el valor ms bajo definido en la escala (el punto del oro, 1 064.43C, es el punto fijo definido ms alto). Adems de los puntos fijos, la lnternational Practical Temperature Scale tambin especifica ciertos instrumentos, ecuaciones y procedimientos a ser utilizados para interpolar entre los puntos fijos. De -259.34 a 630.74C, el instrumento de interpolacin es un termmetro de resistencia de platino; sin embargo, puesto que una ecuacin no servir para todo el intervalo, se definen ecuaciones para varios subintervalos. Cada ecuacin contiene ciertas constantes cuyos valores deben ser obtenidos con las lecturas de ese termmetro particular en puntos fijos especficos. Una vez que se encuentran estas constantes, la ecuacin permite calcular valores de temperatura con las lecturas del termmetro en cualquier punto dentro del subintervalo dado. Se emplea un procedimiento similar entre 630.74 y 1 064.43 C, excepto que ahora el instrumento de interpolacin es un termopar de platino/10 % rodio y platino.

Figura 8.1Escala de temperatura de termmetro de gas.

Por encima del punto del oro, la lnternational Practical Temperature Scale define y utiliza un pirmetro de radiacin de banda angosta (pirmetro "ptico") y la ecuacin de Planck para establecer temperaturas. La frmula es:

La cantidad Jt/JAu se cuantifica con el pirmetro y es la relacin de la radiancia espectral de un cuerpo negro a la temperatura t con una a la temperatura tAu. Como se determina para un pirmetro dado, la ecuacin (8.1) permite calcular t una vez que se ha medido Jt/JAu. En principio, este mtodo puede ser aplicado a temperaturas arbitrariamente altas, pero en la prctica se conocen pocos resultados confiables por encima de 4000 C.

Las temperaturas significativas ms altas, existentes en el interior de las estrellas durante cortos tiempos en explosiones atmicas, segn la teora cintica se encuentran en el rango de 107 a 109 K. La definicin de la temperatura, y mucho menos su medicin, es difcil en estos extremos, aunque los mtodos espectroscpicos han dado resultados tiles. En el otro extremo, se han producido temperaturas de 10-6 K con el uso del concepto de enfriamiento nuclear. Se ha empleado la susceptibilidad magntica de ciertos materiales para medir temperaturas en los rangos extremadamente bajos.

La cuestin de la precisin de los estndares de temperatura puede ser considerada desde dos puntos de vista. Primero, que tan fielmente puede ser reproducida la International Practical Temperature Scale?; segundo, qu tan fielmente concuerda con la escala termodinmica absoluta? La ms alta reproducibilidad de la International Practical Temperature Scale ocurre en el punto triple del agua, el cual puede ser realizado con una precisin de unas cuantas diezmilsimas de grado, que da una exactitud de 1 ppm. A temperaturas ms bajas o ms altas la exactitud se reduce. La figura 8.2a resume estos datos, y muestra incertidumbres de calibracin para varios instrumentos con datos ms recientes en la figura 8.2b. La cuestin de concordancia entre las diversas escalas empricas (tal como la International Practical Temperature-Scale) y la escala termodinmica absoluta implica el hecho de que, en general, la escala termodinmica es considerablemente menos reproducible que las escalas empricas. Por ejemplo, la temperatura de punto de vapor es reproducible a 0.0005 con un termmetro de resistencia de platino, pero slo a 0.02 con un termmetro de gas. Se ha estimado el desacuerdo entre la International Practical Temperature Scale y la escala termodinmica absoluta en grados Celsius como:

Donde t es la temperatura Celsius. Se ve que el error es cero con t = O y 100C y alcanza un valor mximo de aproximadamente 0.14C cerca de t = 400C.

La IPTS se evala de forma continua, y peridicamente aparecen nuevas versiones. Est disponible un anlisis detallado de la versin ms reciente (1990) (ITS.:90) en varias fuentes. Se debe sealar que aunque la escala actual est definida a slo 0.65 K, con regularidad se realizan mediciones por debajo de este valor.

La calibracin de un dispositivo de medicin de temperatura dado en general se realiza sometindolo a algn ambiente de punto fijo establecido, tal como los puntos de fusin y ebullicin de sustancias estndar, o comparando sus lecturas con las de algn sensor de temperatura ms preciso (estndar secundario), el cual ya fue calibrado. Lo ltimo se logra, en general, colocando los dos dispositivos en contacto trmico ntimo en un bao controlado a temperatura constante. Variando la temperatura del bao en el rango deseado (permitiendo el equilibrio en cada punto), se determinan las correcciones necesarias. Cuando se calibra un sensor contra un estndar, es necesario someter a ambos a la misma temperatura. Esto se puede lograr con un bao lquido, un bao de sal fundida (temperaturas ms altas) o un pozo seco. Todos stos incluyen sistemas de control de temperatura que permiten ajustada, pero el sensor utilizado en el sistema de control en general no es suficientemente preciso. Por consiguiente, se inserta un termmetro estndar aparte (a menudo un termmetro de resistencia de platino) en el bao, muy cerca de la unidad a ser calibrada. La estabilidad en el tiempo del bao y la uniformidad espacial son crticas puesto que determinan qu tan fielmente el estndar y la unidad sometida a prueba detectan la misma temperatura. Valores tpicos de baos lquidos de alta calidad son aproximadamente de 0.001 C para uniformidad y estabilidad de 30 min. a 40C. Los pozos secos son ms convenientes, ms baratos y menos precisos que los baos lquidos, y se utilizan mucho para calibracin industrial de rutina, con precisin aproximada de 0.1 a 0.5 C, con slo el sensor incorporado utilizado para control. Los bloques de calibracin metlicos con mltiples orificios permiten utilizar, si se desea, un termmetro estndar aparte en un pozo seco. La uniformidad de un orificio a otro puede ser aproximadamente de 0.05 C, de modo que la precisin del estndar puede ser "transferida" a la unidad sometida a prueba, dentro de estos lmites. En general, los termmetros de resistencia, los termopares o los termmetros de expansin de mercurio en vidrio precisos son tiles como estndares secundarios. Estn comercialmente disponibles estndares de punto fijo que utilizan los puntos de fusin de varios metales y el punto triple del agua.

a)Estndares de temperatura.

Incertidumbres en calibracin NBS de instrumentos de medicin de temperatura

b)Figura 8.2(Conclusin).

2. MTODOS DE EXPANSIN TRMICA

Varios dispositivos detectores de temperatura importantes en la prctica utilizan el fenmeno de la expansin trmica de un modo u otro. La expansin de slidos se emplea principalmente en elementos bimetlicos utilizando la expansin diferencial de tiras unidas de dos metales. La expansin de lquido a esencialmente presin constante se utiliza en los termmetros comunes de lquido en cristal. La expansin restringida de lquidos, gases o vapores produce una elevacin de la presin, la cual es la base de los termmetros de presin.

Termmetros bimetlicosSi dos tiras de los metales A y B con diferentes coeficientes de expansin trmica A y B, pero a la misma temperatura (Fig. 8.3) se unen firmemente entre s, un cambio de temperatura provoca una expansin diferencial y la tira, si no est restringida, se deflexionar en un arco circular uniforme. El anlisis da la relacin:

(8.3)

En la mayora de los casos prcticos, tB/tA 1 y n + 1/n 2, y se obtiene:

(8.4)

La combinacin de esta ecuacin con relaciones de resistencia de materiales apropiadas permite calcular las deflexiones de varios tipos de elementos en uso prctico. La fuerza desarrollada por elementos completa o parcialmente restringidos, tambin puede ser calculada de este modo. Resultados precisos requieren el uso de factores experimentalmente determinados, los cuales estn disponibles con fabricantes de bimetales. Como en la prctica no existen metales utilizables con expansin trmica negativa, el elemento B en general se hace de invar., un acero al nquel con coeficiente de expansin casi cero [1.7 X 10-6 in/ (in. C )]. Originalmente se empleaba latn, ahora se utilizan varias aleaciones para la tira de alta expansin, segn las caractersticas mecnicas y elctricas requeridas. Los detalles de los materiales y los procesos de unin, en algunos casos, son considerados como secretos profesionales. Se ha desarrollado una amplia variedad de configuraciones para satisfacer los requerimientos de aplicacin (Fig. 8.3 b).Los dispositivos bimetlicos se utilizan para medir temperatura, y muy a menudo como elementos combinados de deteccin y control en sistemas de control de temperatura, sobre todo del tipo encendido-apagado. Tambin se utilizan como interruptores de corte por sobrecarga en aparatos elctricos y hacen que se abra un interruptor cuando fluye corriente excesiva. Ms aplicaciones se encuentran como dispositivos compensadores de temperatura 17en varios instrumentos que tienen la temperatura como entrada modificadora o interferente. El movimiento mecnico proporcional a la temperatura se emplea para generar un efecto de compensacin opuesto. La precisin de los elementos bimetlicos vara mucho, segn los requerimientos de la aplicacin. Como la mayora de las aplicaciones de control no son extremadamente crticas, los requerimientos pueden ser satisfechos con un dispositivo de costo un tanto bajo. Para aplicaciones ms crticas, el desempeo puede mejorar mucho. El rango de la temperatura de trabajo es aproximadamente de -100 a 1 000 F. Se puede esperar una imprecisin del orden de 0.5 a 1% del rango de la escala en termmetros de alta calidad. Se han combinado elementos bimetlicos con potencimetros de plstico conductor en aplicaciones de deteccin automotrices.

b)

Figura 8.3Sensores bimetlicos.

Termmetros de lquido en vidrioEl bien conocido termmetro de lquido en vidrio se adapta a una amplia diversidad de aplicaciones variando los materiales de construccin o configuracin. El mercurio es el lquido ms comn utilizado a temperaturas intermedias y altas; su punto de congelacin de -38 F limita su rango inferior. El lmite superior se encuentra en la regin de 1 000 F y requiere el uso de vidrios especiales y un relleno de gas inerte en el espacio capilar sobre el mercurio. La compresin del gas ayuda a evitar que se separe la hebra de mercurio y eleva el punto de ebullicin del lquido. Para bajas temperaturas, se utiliza alcohol a -80 F, toluol a -130 F, pentano a 330 F y una mezcla de propano y propileno para un lmite inferior de 360 F. Los termmetros comnmente se fabrican en dos tipos: inmersin total e inmersin parcial. Los termmetros de inmersin total se calibran para que lean correctamente cuando la columna de lquido est sumergida por completo en el fluido medido. Como esto puede oscurecerla lectura, se permite que una pequea parte de la columna sobre salga con poco error. Los termmetros de inmersin parcial se calibran para que lean de modo correcto cuando se sumergen a una cantidad definida y con la parte expuesta a una temperatura definida. Son inherentemente menos precisos que los de inmersin total. Si la parte expuesta est a una temperatura diferente de la de calibracin, entonces se debe aplicar una correccin. Las correcciones para termmetros de inmersin total y parcial utilizados en condiciones diferentes de las pensadas, se determinan con ms precisin con un termmetro "desvaneciente" especial, diseado para medir la temperatura promedio del vstago emergente. Si no se dispone de semejante termmetro, la correccin puede ser estimada suspendiendo un pequeo termmetro auxiliar cerca del vstago del termmetro que se va a corregir, como en la figura 8.4.Este termmetro auxiliar estima la temperatura media del vstago emergente. Cuando se emplea un termmetro a la inmersin correcta, pero con una temperatura del aire circundante diferente de la de su condicin de calibracin original, la correccin se calcula con (para mercurio en vidrio)

Correccin = 0.00009n (tcal - tact) F (8.5)

Cuando se usa un termmetro de inmersin total a inmersin parcial, se puede utilizar la misma frmula, excepto que tcal - tact es reemplazada por (lectura del termmetro principal) - (lectura del termmetro auxiliar). Con termmetros Celsius la constante 0.00009 se vuelve 0.00016.

La precisin obtenible con termmetros de lquido en vidrio depende de la calidad, rango de temperatura y tipo de inmersin del instrumento. Para termmetros de inmersin total, los mejores instrumentos, cuando se calibran, son capaces de errores tan pequeos como 0.4 F (rango de -328 a 32 F), 0.05 F (rango de -69 a 32 F), 0.04 F (rango de 32 a 212 F), O.4 F (rango de 212 a 600 F) y 0.8 F (rango de 600 a 950 F). Los errores en los termmetros de inmersin parcial pueden ser varias veces ms grandes, incluso despus de ser corregidos por variaciones de la temperatura del aire. Todas las cifras anteriores se refieren al ltimo desempeo alcanzable con los mejores instrumentos y el cuidado extremo en su aplicacin. Los errores en mediciones rutinarias cotidianas pueden ser mucho ms grandes.

Figura 8.4Termmetros de inmersin total y parcial.

Termmetros de presinLos termmetros de presin consisten en un bulbo sensible, un tubo capilar interconector y un dispositivo medidor de presin tal como un tubo Bourdon, un fuelle o diafragma (Fig. 8.5). Cuando el sistema est completamente lleno de lquido (mercurio y xileno son comunes) a una presin inicial, la compresibilidad del lquido a menudo es suficientemente pequea con respecto al medidor de presin V/p, de modo que la medicin es en esencia una de cambio de volumen. En sistemas de gas o vapor, lo inverso es cierto, y el efecto bsico es uno de cambio de presin a volumen constante.

Se pueden utilizar tubos capilares hasta de 200 pies para mediciones remotas. Las variaciones de temperatura a lo largo del capilar y en el dispositivo detector de presin en general, requieren compensacin, excepto el tipo de presin de vapor, donde la presin depende slo de la temperatura en la superficie libre del lquido, localizada en el bulbo. Un esquema de compensacin comn que utiliza un sensor de presin auxiliar y un capilar, se muestra en la figura 8.6. El movimiento del sistema de compensacin se debe slo a los efectos interferentes y se resta del movimiento total del sistema principal, lo que produce una salida dependiente slo de la temperatura del bulbo. El capilar "regulador" (el cual puede ser alargado o acortado) permite cambiar el volumen para lograr la compensacin precisa del estuche mediante pruebas experimentales. Tambin se utilizan elementos bimetlicos para obtener compensacin del estuche y del capilar parcial.

Los sistemas llenos de lquido cubren el rango de -150 a 750 F con xileno o un lquido similar, y de - 38 a 1 100 F con mercurio. La respuesta es en esencia lineal en rangos hasta de aproximadamente 300 F con xileno y de 1 000 F con mercurio. Las diferencias de altura entre el bulbo y el sensor de presin diferentes de aqullas en el momento de la calibracin, pueden provocar errores leves. Los sistemas llenos de gas operan en el rango de -400 a 1 200 F con rangos lineales hasta de 1 000 F; los errores provocados por variaciones de la temperatura del capilar en general son bastante pequeos como para no justificar compensacin. La compensacin del estuche se logra con elementos bimetlicos. Los sistemas de presin de vapor se utilizan en el rango de -40 a 600 F. La calibracin es fuertemente no lineal; son necesarios eslabones linealizantes especiales si se requiere una salida lineal. Las caractersticas del sistema varan, segn si el bulbo est ms caliente que, ms fro que o igual en cuanto a temperatura que el resto del sistema, puesto que ello determina dnde existir lquido y vapor. La disposicin ms verstil se muestra en la figura 8.7, donde la superficie de lquido voltil siempre est en el bulbo. No se requieren correcciones del capilar o estuche en semejante dispositivo, puesto que la presin de vapor de un lquido depende no slo de la temperatura de su superficie libre. Lquidos voltiles comnmente utilizados incluyen etano (la presin de vapor cambia de 20 a 600 lb/in2 manomtricas con un cambio de temperatura de -100 a +80 F), cloruro de etilo (0 a 600 lb/in2 manomtricas de 40 a 350 F) y clorobenceno (O a 60 lb/in2 de 275 a 400 F). La precisin de los termmetros de presin en las mejores condiciones es del orden de 0.5% del rango de la escala. Las condiciones ambientales adversas pueden incrementar este error de forma considerable.

Figura 8.5Termmetro de presin.

Un termmetro de gas nico utiliza un bulbo relleno de polvo de carbn activado y gas inerte (el DI de 0.007" del capilar tiene slo gas). El polvo de carbn cubre un rea enorme (125 acres/lb!), la cual puede absorber grandes volmenes de gas. Una vez absorbido, las molculas de gas ya no "flotan de un lado a otro" y provocan presin de fluido, de modo que el bulbo puede ser cargado (por ejemplo, a temperatura ambiente) con mucho gas sin provocar una alta presin inicial. Cuando cambia la temperatura del bulbo, una parte del gas absorbido es "liberada" para causar presin (la cantidad de gas que puede ser mantenida en absorcin es una funcin de la temperatura). Este principio permite presiones en el bulbo ms bajas en un rango de temperatura dado y se produce un menor esfuerzo y ms larga duracin. Un tubo Bourdon helicoidal compacto sumergido en aceite humectante de silicn produce una deflexin suficiente para el control directo del indicador (nada de engranajes). Estn disponibles unidades con rangos de- 320 a 1 200 F.

Figura 8.6Mtodos de compensacin.

TERMOPARESLos termopares son los sensores de temperatura de ms uso en el campo industrial.Los termopares estn formados por dos conductores elctricos hechos de diferente material y conectados en uno de sus extremos (unin de medida), Sus principales ventajas son: Simplicidad Robustez Bajo coste Pequeo tamao Amplio rango de temperatura (entre -270 C y 3000 C). Salida en tensin fcilmente amplificable y legible

Debido a todas estas ventajas se hacen muy adecuados para el control de procesos industriales. El tipo de lectura elctrica mediante multmetros digitales y su corto tiempo de respuesta permiten la monitorizacin en tiempo real de la temperatura de un determinado proceso. La incorporacin masiva de tarjetas de adquisicin hace que se registren informticamente a un bajo costo.La medida de temperatura mediante termopares se basa en un efecto termoelctrico (descubrimiento hecho por Thomas Seebeck en 1821), fenmeno asociado al flujo simultaneo de calor y corriente elctrica por un conductor:"Cuando dos hilos de distintos materiales se unen en sus extremos, y uno de sus extremos es calentado, aparece una corriente continua que fluye en el circuito termoelctrico".Si este circuito se rompe en el centro, la tensin que aparece (tensin Seebeck) es funcin de la temperatura de la unin y de la composicin de ambos hilos.Para medir la tensin Seebeck de un termopar no se puede conectar ste directamente al voltmetro, ya que al conectar los hilos al sistema se crean circuitos termoelctricos adicionales.Una forma de determinar la temperatura de la unin de medida es poner la unin de referencia en un bao de hielo.Aunque un bao de hielo es preciso, no siempre es prctico. Una aproximacin ms prctica es medir la temperatura de referencia con un sensor de lectura directa, y restar la contribucin de la tensin termoelctrica parsita. Este proceso se denomina compensacin de la unin de referencia.Hay dos tcnicas para implantar la unin de referencia: compensacin por hardware y compensacin por software. Ambas tcnicas requieren que la temperatura de la unin de referencia sea medida con un sensor de lectura directa, como sensores semiconductores o termistores.

TERMISTORES

Al igual que las RTP, los termistores son resistencias sensibles a la temperatura. Mientras los termopares son los sensores ms verstiles y las RTP los ms estables, la palabra que mejor describe a los termistores es la sensibilidad.Los termistores estn normalmente compuestos por materiales semiconductores. La mayora de los termistores tienen un coeficiente negativo de temperatura (NTC), aunque tambin existen con coeficiente positivo (PTC). El precio de esta gran sensibilidad es la falta de linealidad. Los termistores son elementos no lineales, cuyo comportamiento no est definido por normas Standard. Debido a ello, el rango de aplicacin de los termistores se limita a unos 200 C.Para medir la resistencia de los termistores no se presentan los problemas de las RTP, ya que un valor tpico de resistencia a 25 C son 5000 ohms, disminuyendo un 4%/ C. Estos valores de resistencia hacen despreciable la de los hilos, y facilitan su medida.

Medicin de temperatura empleando el cambio de valor en una resistencia. Las RTDS = (Resistencias detectoras de temperatura). Son un grupo de resistencias empleados para medir o detectar los cambios de temperatura. Los RTDS seleccionados son aquellos que tengan un coeficiente de temperatura lineal y entre ellas sobresale las termoresistencias constituidas con platino y cobre.El grupo de los RTDS lo conforman las termoresistencias y los termistores.Las termoresistencias; tienen coeficientes positivos de temperatura, es decir si la temperatura aumenta, el valor de la resistencia aumenta.Los termistores; se emplean los que tengan coeficientes negativos de temperatura, es decir si la temperatura aumenta, el valor de la resistencia diminuye.En los sistemas de medicin de temperatura los termistores se emplean para compensar los cambios en el valor de la temperatura originados por cambios en el valor de resistencia debido a la circulacin de una corriente a travs de ella o por la temperatura ambiente.

Las PT-100 = Son termoresistencias con platino y que a 0C tienen un valor de 100 ohmios; existen adems las PT-50, PT-200 y las CU-50.

Las termoresistencias de caractersticas lineal tienen un comportamiento de acuerdo a la siguiente ecuacin:

=Resistencia total a la temperatura "t".t = Temperatura.Valor de la resistencia a 0 C. Coeficiente de temperatura segn el material.

TERMO-POZOS

Son dispositivos que permiten al elemento censor de temperatura, sea instalado o retirado del proceso sin necesidad de interrumpirlo. Estn conformados por un tubo sellado en un extremo y que en el otro presentan dos roscas, una externa para ser acoplado al proceso y otra interna para fijar el elemento censor.

BIBILOGRAFA Nicholas and White: Traceable Temperatures: An Introduction to Temperature Measurements Wiley (1994).

Turner J. and Hill M. Instrumentation for Engineers and Scientists. Oxford (1999).

Benyon R., De Lucas J., Esteban P.: Curso Bsico de Medida de Temperatura (1994)

Practical Temperature Measurements, Application Note 290. Hewlett Packard.

Measuring Temperature with Thermocouples- a Tutoria, Application Note 043 National Instruments.

Gua para la expresin de la incertidumbre de medida. (Versin espaola editada por el CEM de Junio de 1998)