CENTRO DE CIENCIAS BÁSICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA

INGENIERÍA BIOQUÍMICA

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

SEXTO SEMESTRE

REPORTE #1

CALIBRACIÓN DE TERMOPARES

Estefanía Ortega Flores Fabián Alcalá DávilaDalila Viramontes DuránEdgar Said Ortiz Carrillo

Profesora: Dra. En C. Elsa Marcela Ramírez López

Aguascalientes, Ags. 04 de Marzo del 2016

¡FELICIDADES!

El documento se encuentra muy bien ordenado, y con la estructura solicitada.

CONTENIDO VALOR CALIFICACIÓN

Introducción 0.5 0.5

Objetivo 0.5 0.5

Metodología 0.5 0.5

Resultados 2.5 2.5

Discusión 2.5 2.5

Conclusiones 2.5 2.5

Cuestionario 0.5 0.5

Bibliografía 0.5 0.5Reporte 10.0 5.0

Trabajo laboratorio 10.0 5.0Evaluación final   10.0

Introducción

El termopar es un dispositivo para la medición de temperatura basado en efectos

termoeléctricos. Es un circuito formado por dos conductores de metales diferentes o

aleaciones de metales diferentes, unidos en sus extremos y entre cuyas uniones existe una

diferencia de temperatura, que origina una fuerza electromotriz (efecto seebeck). Esta

fuerza electromotriz generada por el termopar está en función de la diferencia de

temperatura entre la unión fría y caliente. (Guerrero, 2002).

Los sensores de efecto termoeléctrico son un tipo de termómetros cuyo principio

físico recae en que cuando dos metales distintos están unidos se genera una FEM, es decir,

se genera movimiento de los electrones libres como flujo de corriente en la unión entre los

metales, y todo este fenómeno es función de la temperatura puesto que consiste en la

transformación de energía térmica en energía eléctrica (Morris, 2001). La forma general

que describe este proceso es una ecuación no linear, sin embargo, existen algunas

combinaciones de metales en las que la siguiente relación lineal es útil para su aplicación

en mediciones de temperatura (Sean, 2005):

e ≈ aT

Donde e es la fem generada y T, es la temperatura absoluta. Metales que cumplen

con esta característica son intencionalmente unidos en el extremo para que funcionen como

termómetros y se les conoce como termopares (Morris, 2001).

Dentro del termopar se hallan los dos hilos metálicos, unidos en la punta, esta

unión constituye el punto de medición (junta caliente). El otro extremo se llama junta fría.

El calentamiento de la junta de medición provoca la tensión eléctrica, aproximadamente

proporcional a la temperatura, esta tensión (fuerza electromotriz F.E.M.) se debe a dos

factores: la densidad de electrodos diferentes de los dos materiales y de la diferencia de

temperatura entre los dos puntos (CITA). (Guerrero, 2002) qué es lo que continúa después

de este paréntesis

Para la realización de cualquier experimento es necesario contar con el equipo en

estado óptimo, es por eso que la calibración de este aparato es imprescindible, y es

relevante tener en cuenta que existen muchos factores que influyen en la frecuencia de

calibración la relación entre la temperatura y el voltaje puede ser expresada en tablas,

curvas, ecuaciones matemáticas (CITA). (Garcia, 2014) qué es lo que continúa después de

este paréntesis

Los termopares tienen múltiples aplicaciones, en la industria textil para medir

temperaturas en los tejidos, en la industria alimenticia para medir la temperatura en

procesos de fermentación, en criotécniacriotécnica se usan termómetros basados en

termopares para la medida de temperaturas por debajo de los -200° C, se utilizan para

medir temperaturas de la sangre en el interior del cuerpo humano usando microelementos

térmicos, etc. (Fink, 1984).

Objetivo

Calibrar un termopar hierro-Constantán utilizando agua.

Metodología

Calibración del termopar del galvanómetro

Se llevó a cabo la calibración del galvanómetro con termopar tipo J. El

galvanómetro se encendió y el extremo del termopar se puso en contacto con agua a 0°C (-

punto de congelación) con lo que se estandarizó la lectura final de la escala a 0°C en el

galvanómetro. Se prosiguió a girar la perilla del STD para introducir esa condición estándar

al aparato. Para fijar la temperatura superior, se calentó agua hasta llegar a su punto de

ebullición y se prosiguió a introducir el termopar en este recipiente para medir el % de

transmitancia máxima ajustando con los tornillos de movimiento grueso y luego fino.

Obtención de datos para la curva de calibración del termopar del galvanómetro

Se midió el % de transmitancia dado por 5 contenedores con agua a distinta

temperatura, conocida puesto que también se midió con termómetro, entre el rango de 0 a

100°C. Con estos datos, se graficó el % de transmitancia contra la temperatura marcada en

cada uno de los 5 contenedores con agua y se obtuvo el gráfico de calibración para

termopar del galvanómetro.

Medición de la temperatura con un amperímetro

Se comenzó por ensamblar el termopar al amperímetro digital de gancho (marca

Steren) mediante la conexión que tenía en uno de los extremos, verificando conectar con la

polaridad correcta. Se conectó el amperímetro a la corriente. En las opciones del

amperímetro se seleccionó la modalidad de temperaturas, se utilizó 750°C como límite

superior de temperatura. Se puso en contacto el termopar con hielo a 0°C y así se estableció

el límite inferior de temperatura.

Obtención de los datos para comparar entre la temperatura medida por el

amperímetro y la medida por un termómetro

Se realizaron 5 mediciones de temperaturas intermedias en agua. Los datos

obtenidos fueron analizados con la ecuación para obtener el % de error que tiene el

amperímetro con respecto a los grados de temperatura marcados en el termómetro.

Fórmulas utilizadas

Ecuación de un termopar:

E=a+b Δt

Para calcular el % de error del termopar respecto al termómetro se utilizó la formula

siguiente:

% error=(Temp .Termómetro−Temp . Termopar )Temp . Termómetro

x100

Resultados

En esta práctica se utilizaron dos tipos de termopares: Tipo J (en el galvanómetro) y

Tipo K (en el amperímetro). Los resultados de esta práctica, se dividirán en dos partes

como lo marca la metodología de este protocolo, y a su vez se dividirán en Observaciones e

Imágenes y Datos Experimentales.

1) Calibración de un termopar tipo J con el galvanómetro

Observaciones e Imágenes

Para realizar la práctica, se utilizó un galvanómetro con un termopar tipo J el cual se

muestra en la figura 3.

Figura 3. Galvanómetro utilizado en la práctica de laboratorio.

Como primer paso, se calibró el termopar considerando la máxima y mínima

temperatura que puede tomar el agua (temperatura de ebullición y temperatura de fusión

respectivamente. El termopar utilizado se muestra en la figura 4.

Figura 4. Termopar tipo J utilizado en la calibración.

Para su manejo, fue importante conocer algunas de las partes que componen al

galvanómetro y así poder realizar las lecturas correspondientes, dichas partes se detallan en

las figuras 4, 5 y 6.

Datos experimentales

En el cuadro 2, se condensan los datos obtenidos a partir de las mediciones de

porcentaje de transmitancia realizadas a diferentes temperaturas de la molécula de agua.

Temperatura

(°C)

% Transmitancia

0 0

11 6.5

23 10

Figura 4. Botones utilizados para ajustar el intervalo de la

temperatura máxima y mínima del agua en la escala del

galvanómetro.

Figura 6. Escala del galvanómetro que mide

temperatura y % de transmitancia.

Figura 5. Botón de condiciones estándar. Con este botón establecemos la

temperatura.

Botón de ajuste grueso

Botón de ajuste fino

Escala de medición de temperatura y % de

transmitancia

37 16

57 22

74 30

94 35

Cuadro 2. Datos experimentales de la relación de temperatura con el porcentaje de transmitancia de

las muestras de agua.

Del cuadro 2, se obtiene un gráfico al cual se le ha obtenido su ecuación. Dicha

ecuación es una expresión para esta curva de calibración. La ecuación que representa la

relación entre la temperatura del agua y el % de transmitancia es: y = 0.3691x + 1.4125.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

30

35

40

f(x) = 0.369065942968244 x + 1.41248784834738

Curva de calibración de la relación de la temperatura con el % de Transmitancia

Temperatura (°C)

% d

e T

rans

mita

ncia

Simbología Ecuación de la recta Línea de tendencia

Gráfico 1. Curva de calibración para el termopar tipo J que representa la relación de la temperatura

del agua y su % de transmitancia.

2) Calibración del termopar tipo K con el amperímetro

Observaciones e Imágenes

En esta parte de la práctica, se utilizó un termopar tipo K, el cual iba conectado a un

amperímetro (figura 7), del cual hicimos comparaciones en las mediciones de temperatura

por el termómetro y las dadas por el termopar.

Figura 9. Procedimiento que se realizó para la medición de la temperatura con el termómetro y con

el termopar para posteriormente compararlas.

Figura 7. Amperímetro utilizado para la calibración del termopar tipo K.

Figura 8. Termopar tipo K utilizado en la práctica. La parte circular que se ve en el

extremo derecho, es la parte metálica que se introdujo en las muestras de agua.

Parte del amperímetro donde

se conecta el termopar.

Datos experimentales

Para esta parte del experimento, la metodología fue similar a la del anterior, solo

que ahora se utilizó un termopar tipo K utilizando un amperímetro. En este caso, solo se

comparó la temperatura registrada en el termómetro y la obtenida por el termopar. Los

resultados se muestran en el cuadro 3.

Muestra de

Agua

Condiciones de temperatura del agua % Error

(Valores absolutos)Temperatura medida

con el termómetro (°C)

Temperatura medida

con el termopar (°C)

Calibración 0 3 El porcentaje de error

no se puede calcular

1 10 12 20%

2 20 22 10%

3 40 43 7.5%

4 60 63 5%

5 80 82 2.5%

6 96 98 2.08%

Cuadro 3. Valores experimentales de temperaturas obtenidas por el termómetro y el termopar.

La relación y porcentaje de error que posee el termopar, en el gráfico 2 se representa

la comparación entre la temperatura dada por el termómetro y la dada por el termopar.

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

Comparación de la temperatura medida con el termómetro y la obtenida con el termopar

Temperatura termopar (°C)

Temperatura termómetro (°C)

Tem

pera

tura

term

opar

(°C

)

Gráfico 2. Comparación y relación entre la temperatura obtenida por el termómetro y la obtenida

por el termopar. Se obtiene casi una línea recta ya que la variación en temperatura no es mucha.

Discusión

Esta práctica consistió en la calibración de dos tipos diferentes de termopares (K y

J), utilizando muestras de agua a diferentes temperaturas. Es importante mencionar, que, en

este experimento, era necesario establecer un rango de temperaturas, ese rango está

determinado de acuerdo a la sustancia que vamos a utilizar, y deben ser bien conocidas sus

propiedades fisicoquímicas (punto de ebullición, punto de fusión); es por ello que se

escogió el agua, ya que de ella hay mucha información y datos en tablas para poder

establecer esa variable. Hay tres puntos de referencia fácilmente accesibles para comprobar

la precisión de los instrumentos de medida de temperatura: 0°C (mezcla de agua y hielo),

36.5 °C (temperatura corporal) y 100 °C (temperatura de ebullición). Por lo tanto,

volvemos a coincidir en la utilización de un material como el agua para evaluar esta prueba

por el conocimiento de sus propiedades como explica Whitman (2006).

Como lo menciona Acedo (2003), un termopar es un sensor para medir

temperatura. El mecanismo para medir temperatura consiste en que, si dos metales

diferentes unidos por sus extremos tienen esos extremos sometidos a temperaturas

diferentes, circulará una corriente por el circuito así formado, y, por tanto, la corriente que

circula resulta proporcional a la diferencia de temperatura. Este principio aplica en el

experimento realizado con el termopar tipo J donde con ayuda de un galvanómetro se

realizaron mediciones de % de transmitancia a diferentes temperaturas. En este caso, la

transmitancia a evaluar, es fue la transmitancia térmica, la cual se define como la cantidad

de calor que atraviesa una ventana por tiempo, por área y por diferencia de temperatura

(Rolle, 2006). Si decimosen donde observamos que la corriente (que puede ser transferida

por calor), es proporcional a la temperatura, tendremos que, a mayor temperatura, mayor %

de transmitancia, este comportamiento puede validarse con los datos experimentales

reportados en el cuadro 2 y en el gráfico 1 de los resultados, concuerda con lo mencionado

por Acedo (2003) para el termopar tipo J. Del gráfico 1, se obtuvo la ecuación de la recta: y

= 0.3691x + 1.4125 obteniendo un coeficiente de determinación (R2) de 0.9939, y de

acuerdo Amador (2014), nuestro ajuste fue muy bueno, ya que es muy cercano a 1, y

nuestros datos pueden ser reproducibles en un experimento posterior.. Amador, (2014),

menciona que el valor de R2 denota el coeficiente múltiple de determinación, que es una

medida de qué tan bien se ajusta la ecuación de regresión a los datos muéstrales. Entre R2

se acerque más a1 valor de 1, se tendrá un mejor ajuste. Para el experimento, se obtuvo un

coeficiente de determinación de 0.9939, lo que indica que nuestro ajuste es muy bueno y

nuestros datos pueden ser reproducibles en un experimento posterior.

En el caso del termopar tipo K, en donde se utilizó el amperímetro, solo se realizó

una comparación entre la temperatura proporcionada por el termómetro y la proporcionada

por el termopar. En promedio, el termopar tenía un error de 2.5°C aproximadamente, en

comparación con el termómetro de mercurio. Al graficar ambos datos (gráfico 2), se obtuvo

una línea casi recta, lo que indica que la variación en la temperatura del termopar no es

importante, ya que corresponde con los límites de error estándar para un termopar tipo K de

aproximadamente 2.2°C descrito por Creus (2009), a temperaturas mayores o menores de

0°C.

Conclusiones

Una forma de calibrar el termopar de un galvanómetro es con sustancias con

puntos de congelación y ebullición conocidos como los del agua para poder usarlo como un

instrumento de medición de temperatura.

Realizamos un análisis matemático sobre las variables de temperatura obtenidas en

y se observó que los valores del porcentaje de % de transmitancia del galvanómetro

mostraron buena proporcionalidad con la temperatura real medida con termómetro en agua

a distintas temperaturas. El método de calibración no mostró elevada discrepancia.

El amperímetro que se utilizó puede ser utilizado para medir la temperatura

siempre y cuando se considere que tiene un porcentaje de error de entre 2 y 20%

Cuestionario

1. Investigue que otros dispositivos se utilizan para medir temperaturas y que rangos

manejan.

Existen diferentes maneras de medir la temperatura, algunas de ellas se mencionan a

continuación.

- Medida de temperatura con sondas de resistencia

La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia se basa en la variación de

la resistencia de un sensor en función de la temperatura. El material que forma el sensor se

caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia” que expresa, a una

temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada

grado que cambia su temperatura. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de

hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido

con un revestimiento de vidrio o de cerámica.

Las sondas de resistencia son muy estables, ya que en el proceso de su fabricación se

calienta el hilo para homogenizar la estructura de cristal y eliminar óxidos. La deriva de la

sonda de Pt 100 es de +/- 0.05°C y tiene un margen de temperatura de 25 – 150°C.

El circuito típico de un calibrador de sonda de resistencia consta de la sonda de tres

hilos, el cable de interconexión, la tarjeta de entrada del PLC, la conexión al ordenador y la

pantalla de visualización de la temperatura (figura 10).

(Pérez, 2014)

Figura 10. Calibración de sondas de resistencia e indicadores o controladores (Pérez, 2014).

- Termistores

Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura

de resistencia negativo de valor elevado (NTC), por lo que presentan unas variaciones

rápidas y extremadamente grandes para los cambios relativamente pequeños en la

temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto,

cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados en sondas y en discos.

En la figura 11 pueden verse las curvas características resistencia-temperatura de

termistores y las dimensiones aproximadas de las sondas

Figura 11. Curva resistencia – temperatura y dimensiones de un termistor.

Los termistores son instrumentos de medición de temperatura, cuya resistencia

eléctrica varía al cambiar la temperatura, de modo que para determinada resistencia

eléctrica hay relacionada una temperatura específica con ella. Un termistor es en esencia

una longitud precisa de alambre conductor que se expone a la temperatura que lo rodea, y

es capaz de registrarla. Así, el termistor puede hacerse tan pequeño como el diámetro de

alambre conductor mínimo práctico, y se puede usar entonces para medir con exactitud los

cambios rápidos de temperatura, o cambios muy pequeños de temperatura. Con frecuencia

se prefieren los termistores a los termopares por las dos razones ya mencionadas; sin

embargo, en comparación con los termopares, tienden a ser útiles en menores intervalos de

temperatura. Los termistores pueden también tener relaciones no lineales entre temperatura

y resistencia eléctrica. Esa no linealidad requiere obtener más datos experimentales, para

establecer una calibración precisa en comparación con los termopares, que tienden a ser

lineales en sus relaciones temperatura-FEM (Rolle, 2006).

- Pirómetros

Los pirómetros son dispositivos medidores de temperatura que usan la radiación

térmica para registrar las temperaturas. Esos dispositivos tienen la ventaja de poder medir

temperaturas de superficie u objetos sin tocarlas, y hasta muy alejadas del pirómetro. El

pirómetro funciona mejor cuando hay un vacío o aire entre él y el objeto. La radiación

térmica está formada por luz visible, luz infrarroja y luz ultravioleta, y su color e intensidad

son indicadores de la temperatura de la superficie del objeto. Existen diferentes tipos de

pirómetros; uno de ellos recibe el nombre de pirómetro óptico, y se usan comparando la luz

de un filamento luminoso fino con el campo de la superficie que se va a medir. Este

procedimiento implica ajustar o cambiar el brillo del filamento luminoso (que está

calibrado para una escala de temperatura) hasta que el filamento parece desaparecer en el

campo. Por esta razón, al pirómetro óptico se le llama a veces pirómetro de filamento que

desaparece. Otro tipo de pirómetro, es el instrumento que a veces se le llama pirómetro de

radiación total, usa una termopila para sentir la radiación térmica que le llega desde un

objeto cuya temperatura se va a medir. Estos instrumentos son adecuados para la

adquisición automática de datos. Se usan con frecuencia para medir la temperatura

superficial del sol, y en otras aplicaciones donde se desea tener una vigilancia continua de

la temperatura.

(Rolle, 2006)

Figura 12. Esquemas y cortes transversales de a) pirómetro óptico y b) pirómetro de radiación total

(Rolle, 2006).

2. Investigar la composición y rangos de varios tipos de termopares comerciales.

En el cuadro 4 se pueden ver los diferentes tipos de termopares típicos utilizados en

la industria, con sus límites de error.

Cuadro 4. Termopares típicos utilizados en la industria (Creus, 2009).

Bibliografía

Creus, A. (2009). Instrumentos industriales: su ajuste y calibración. 3ª Edición. España:

MARCOMBO. Pp: 110 – 134.

Fink, D. H. (1984) Manual práctico de electricidad para ingenieros. Barcelona:

Reverte

García Pérez Miguel Ángel. (2014). Instrumentación Electrónica. Madrid: Ediciones

Paraninfo S.A.

Morris, A. S. (2001). Measurement and Instrumentation Principles (3rd Edition). Jordan

Hill, GBR: Butterworth-Heinemann. Retrieved from

Pérez, M.A. (2014). Instrumentación Electrónica. España: Ediciones Paraninfo. Pp:

361 – 366.

Rolle, K. (2006). Termodinámica. 6ª Edición. España: Pearson Educación. Pp: 58 – 63.

Seann, D. (2005). Reference Book on Chemical Engineering, Volume 1. Daryaganj,

Delhi, IND: New Age International. Retrieved from

Whitman William C., Johnson William M. (2006). Tecnología de la Refrigeración y

aire acondicionado. Volumen 1. 4ª Edición. Madrid España: Thomson Paraninfo.

Dictiotopografía

Guerrero Medrano Silvia. (2002). http://www.metas.com.mx/guiametas/La-Guia-MetAs-

02-07-TC.pdf. Ultima vez consultado 11/02/2016.

ANEXOS

Cálculos para el porcentaje de error del termopar tipo K

Tenemos que el porcentaje de error está dado por:

% Error=( Temp .Termómetro−Temp .TermoparTemp.Termómetro )x 100

Muestra 1

Datos

Ttermómetro = 10°C

Ttermopar = 12°C

Sustitución

% Error=( 10° C−12° C10 °C )x 100=−20 %

Tomando valor absoluto porque es solo es la relación de diferencia entre la temperatura dictada por el termómetro y el termopar, tenemos que:

% Error=20 %

Muestra 2

Datos

Ttermómetro = 20°C

Ttermopar = 22°C

Sustitución

% Error=( 20° C−22 °C20 ° C ) x100=10 %

Muestra 3

Datos

Ttermómetro = 40°C

Ttermopar = 43°C

Sustitución

% Error=( 40 °C−43 °C40 °C ) x100=7.5 %

Muestra 4

Datos

Ttermómetro = 60°C

Ttermopar = 43°C

Sustitución

% Error=( 60 °C−63 °C60 ° C ) x100=5%

Muestra 5

Datos

Ttermómetro = 80°C

Ttermopar = 82°C

Sustitución

% Error=( 80 °C−82 °C82° C ) x100=2.5 %

Muestra 6

Datos

Ttermómetro = 96°C

Ttermopar = 98°C

Sustitución

% Error=( 96 °C−98° C96 °C )x 100=2.08 %