PRINCIPIOS Y TÉCNICAS DE LA MEDICIÓN DE TEMPERATURA

PRINCIPIOS Y TÉCNICAS DE LA MEDICIÓN DE TEMPERATURA
Preparado por: Dr. Ing Roberto Santander y Dr. Ing. Francisco Sepúlveda para uso exclusivo de los
alumnos del departamento de Ingeniería Mecánica de la USACH.
Introducción: Este laboratorio busca presentar al alumno los conceptos y las técnicas actualmente
utilizadas en ingeniería para evaluar la magnitud térmica asociada a la temperatura.
Específicamente, se abordan los diferentes principios básicos que utilizan los instrumentos de
medición en el área de ciencias térmicas y adicionalmente se exploran los errores asociados a una
cadena de medición térmica. Adicionalmente, en esta experiencia se presentan diferentes
aspectos electrónicos asociados a una medición con sistemas de adquisición con su respectivo
tratamiento de señales, sin embargo, no se pretende dar una visión acabada de aspectos
electrónicos asociados a la medición de temperatura.
Metodológicamente, se espera que el alumno antes de presentarse a la experiencia profundice las
lecturas referenciadas en la bibliografía y pueda así desarrollar las actividades propuestas. Una vez
desarrolladas estas, el alumno será sometido a una breve evaluación para verificar el dominio de
las materias tratadas.
Objetivo General:
Identificar los diferentes principios utilizados en la medición de temperatura de manera de
establecer mediciones comparativas con diferentes tipos de sensores y así cuantificar las fuentes
de error en la medición.
Objetivos Específicos:
a) Identificar los diferentes principios utilizados para la determinación de la temperatura en
un cuerpo.
b) Construir un termopar y verificar el efecto Seebeck.
c) Establecer la cadena eléctrica necesaria para la medición de temperatura y el
acondicionamiento de la señal para una medición estable y segura.
d) Identificar el efecto de ruido eléctrico en la medición de temperatura
e) Verificación de la operación de termistores
f) Calibración de termocuplas y termistores
g) Análisis de errores
h) Medición de temperatura y análisis de tiempo de respuesta de los diferentes instrumentos
utilizados.
Teoría y Conceptos Requeridos:
TEMPERATURA: La medición de la temperatura puede realizarse mediante diferentes
instrumentos que según sea su principio de operación pueden clasificarse como:
•
•
•
•
•
Termómetros de líquido en vidrio
Termómetros de presión
Termopares
Termoresistencias
Pirómetros
Termómetros de Líquido en Vidrio:
Principio de operación: Expansión de un líquido en función de la temperatura.
Rangos de temperatura: Depende del líquido utilizado; para termómetros de mercurio el rango es
-38ºC hasta 540 ºC. Para temperaturas más bajas se puede usar alcohol con límite hasta de -62ºC,
pentano hasta -200ºC y una mezcla de propano hasta -217ºC
Precisión: Depende de la calidad del instrumento y del rango de temperatura. Para termómetros
que operan entre 0 – 100ºC la precisión llega hasta 0,02ºC.
Termómetros de Presión:
Principio de operación: Expansión de un fluido en función de la temperatura. Cuando este, está en
un ambiente confinado (tubo de Bourdon y un tubo capilar), el fluido, por causa de la temperatura
sufrirá una expansión que producirá un aumento de la presión.
Rangos de temperatura: Depende de la clase.
Clase I: Sistemas de líquido donde el tolueno es frecuentemente utilizado para rangos entre -40ºC
a 400ºC
Clase II: Sistemas de vapor donde originalmente el sistema es llenado con líquido para luego
evaporar por causas de la temperatura. El dióxido de azufre es un ejemplo para rangos entre -30 a
120 ºC.
Clase III: Sistemas a gas donde la ley de Boyle y Charles es aplicada cuando el volumen es
mantenido constante. El rango de utilización está comprendido entre -240 a 550ºC para un gas
inerte bajo presión moderada.
Clase IV: Sistemas de Mercurio cuyos rangos de operación están entre -38ºC y 550ºC.
Termopares:
El principio de operación se basa en la obtención y medición de una fuerza electromotriz
generada, cuando dos metales de diferente naturaleza en su extremidades, es sometida a distintas
temperaturas. Físicamente, esto ocurre porque los metales de composición diferente poseen
distintas densidades de electrones libres, de manera que, cuando son unidos ocurre una migración
de electrones ocasionando una diferencia de potencial entre los dos cables metalicos.
La figura a continuación presenta un termopar compuesto de dos materiales A y B con una junta
de referencia abierta.
La misma configuración permite considerar los tres efectos que se producen en este tipo de
aplicación: 1) Efecto Seebeck, 2) Efecto Peltier y 3) Efecto Thomson.
1) Efecto Seebeck (T. J. Seebeck, 1821): El descubrió que en un circuito cerrado, formado por
dos hilos metálicos diferentes, ocurre una circulación de corriente cuando existe una
diferencia de temperatura entre las juntas calientes y la referencia fría.
Donde
es la diferencia de poder termoeléctrico de los dos materiales.
Fue solo en 1887 cuando Le Chatelier (físico Francés) utilizó por primera vez tal efecto al
construir un termopar platino – rodio al 10%.
2) Efecto Peltier (Peltier 1834): Dado un par termoeléctrico con ambas juntas a la misma
temperatura, sí, mediante una fuente externa, se produce una corriente en el termopar,
las temperaturas de las juntas varían en una cantidad inferior debido al efecto Joule. El
incremento de esa temperatura se denomina efecto Peltier. Tal efecto no tiene una
aplicación en el uso de los termopares, sí, en el área de refrigeración con el uso de
semiconductores especiales.
3) Efecto Thomson (1854 Thomson): La conducción de calor a lo largo de los hilos metálicos
de un termopar, que no transporta corriente, origina una distribución uniforme de
temperatura en cada hilo. Por el contario, cuando existe una corriente, en cada cable se
modifica tal distribución de temperatura en una cantidad que no se debe solo al efecto
Joule. Por esta razón, a tal variación adicional en la distribución de temperatura se
denomina efecto Thomson.
Una descripción general de los tipos de termopares se presenta en la siguiente tabla:
Tipo
Elemento
Positivo
Elemento
Negativo
T
K
J
E
S
Cobre
Cromel
Fierro
Cromel
Platina
10% Ródio
Platina
13% Ródio
Platina
30% Ródio
Constantan
Alumel
Constantan
Constantan
Platina
R
B
Poder
Temo
eléctrico
A 25 °C
(
40.5
40.5
52.0
61.0
5.8
Rango de
Temperatura Usual
Platina
60.
0 a 1480 °C
Platina
10 a800 °C
870 a 1705 °C
-184 a 370 °C
0 a 1260 °C
0 a 760 °C
0 a 870 °C
0 a 1480 °C
Termo resistencias: El principio de operación de este tipo de instrumento se debe al
descubrimiento de Sir Humphrey Davy que establece que la resistividad de los metales es
dependiente de la temperatura.
Los termómetros de resistencia son nombre genéricos para explicitar a los sensores de
temperatura los cuales varían su resistencia eléctrica con la temperatura. Dependiendo del
material a usar se clasifican en termómetros de resistencia cuando usan materiales conductores y
termistores cuando el material usado es un semiconductor.
Entre las diferencias fundamentales se observa que en el caso de las termoresistencias, la
variación de la resistencia es lineal con la temperatura, al contrario de los semiconductores, donde
la variación es no lineal.
Termo resistencias metálicas:
Pueden construirse de hilos o films de platina, cobre, níquel y tungsteno para aplicaciones a alta
temperatura. En general, la resistencia eléctrica en función de la temperatura es:
R= R0(1+a1T+ a2T2+ a3T3+…………….+ anTn)
Donde, R0 es la Resistencia a 0°C.
La más común, es la llamada PT100 donde el cable de platina presenta una resistencia a 0°C de
100 Ω
Termistores:
Los primeros tipos de sensores de temperatura de resistencia de semiconductores fueron
realizados de óxido de magnesio, níquel y cobalto mezclados de manera proporcional. Estos
instrumentos son altamente no lineales y su relación resistencia / temperatura es generalmente
de la forma:
Donde, R= resistencia a la temperatura T (Ω), R0= resistencia a la temperatura T0 (Ω), β = constante
característica del material (K) y T, T0 temperaturas absolutas (K).
Entre los métodos de medición para los termistores se encuentran:
a) Método de Fuente de corriente (Medición de dos hilos y medición de 4 hilos)
b) Método de Puente de Wheatstone (Unión a dos hilos)
c) Método de auto calentamiento
Pirómetros: Los pirómetros son sensores de temperatura que utilizan como información la
radiación electromagnética emitida por el respectivo cuerpo a medir. De esta manera el
fundamento de operación se basa en que todo cuerpo con temperatura superior a 0 K emitirá
radiación electromagnética con una intensidad que depende de su temperatura. La intensidad
también varía con la longitud de onda de acuerdo al gráfico de emitancia espectral de un cuerpo
negro adjunto en la siguiente figura.
Considerando que la llamada radiación térmica se encuentra ubicada entre las longitudes de onda
de 0,1 a 100 µm los pirómetros son sensores que pueden ser divididos en dos clases:
a) Pirómetros ópticos
b) Pirómetros de radiación.
Los pirómetros ópticos actúan dentro del espectro visible (0,3 a 0,72 µm) y su principio de
funcionamiento corresponde a la comparación fotométrica que pueda realizarse entre el
filamento de tungsteno del equipo con el cuerpo a medir. Normalmente se interponen filtros
monocromáticos para la longitud de onda de radiación infrarroja. El rango de aplicación de
este tipo de equipo se encuentra entre 750 °C hasta 2900 °C desde que es necesario que el
cuerpo medido emita en este espectro de longitud de onda.
Los pirómetros de radiación son instrumentos que miden la tasa de emisión de energía por
unidad de área en un rango de longitud de onda relativamente grande. Específicamente, se
utiliza un sistema que recibe la energía visible del campo infrarrojo para luego focalizarla
en un detector donde es transformada en una señal eléctrica.
Los pirómetros de radiación se diferencian por el tipo de detector de los cuales se tienen
detectores térmicos y detectores de fotones.
Actividades a Desarrollar:
1.
2.
3.
4.
5.
Reconocimiento de instalación y componentes
Verificación de efecto Seebeck y toma de datos
Análisis de fundamentos de medición de termistores
Toma de datos de temperaturas con diferentes sensores
Análisis de inercia térmica de termocuplas
Tópicos de Evaluación:
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•
•
•
•
Análisis de circuitos de referencia con diferentes bloques isotérmicos en termocuplas
Evaluación de incertezas de medición
Verificación de operación de termistores
Análisis de inercia térmica de sensores
Terminología y conceptos en medición de temperatura
Bibliografía Sugerida:
http://www.omega.com/techref/colorcodes.html
http://www.msm.cam.ac.uk/utc/thermocouple/pages/ThermocouplesOperatingPrinciples.html
http://www.ppe.com/11cat/0647.pdf
http://www.engineeringtoolbox.com/thermocouples-d_496.html
http://nptel.iitm.ac.in/courses/Webcoursecontents/IIT%20Kharagpur/Industrial%20Automation%20control/pdf/L04%28SS%29%28IA&C%29%20%28%28EE%29NPTEL%29.pdf