CALIBRACIÓN DE UN TERMOPAR

I.- OBJETIVOS:

Determinar la ecuación empírica de un elemento sensor (termopar), mediante la medición de temperaturas y diferencia de potencial.Determinar algunas características sistemáticas de este elemento sensor.

II.- FUNDAMENTO TEÓRICO:

El termopar es un elemento sensor termoeléctrico, la cual se utiliza para medir la temperatura. Si se emplean dos metales A y B diferentes, existe una diferencia de potencial eléctrico a través del empalme, y está dado por una serie de potencias de la forma.Dispositivo para medir temperaturas, mediante las fuerzas electromotrices originadas por el calor en las soldaduras de dos metales distintos.

Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

Para una pareja de materiales determinada, la diferencia de tensión es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas. Esta relación puede emplearse para la medida precisa de temperaturas mediante un termopar en el que una de las uniones se mantiene a una temperatura de referencia conocida (por ejemplo, un baño de hielo) y la otra se coloca en el lugar cuya temperatura quiere medirse. A temperaturas moderadas (hasta unos 260 °C) suelen emplearse combinaciones de hierro y cobre, hierro y constantán (una aleación de cobre y níquel), y cobre y constantán. A temperaturas mayores (hasta unos 1.650 °C) se utiliza platino y una aleación de platino y rodio.

Como los alambres de los termopares pueden tener dimensiones muy pequeñas, también permiten medir con precisión las temperaturas locales en un punto. La corriente generada puede aumentarse empleando semiconductores en lugar de metales, y puede alcanzarse una potencia de unos pocos vatios con eficiencias de hasta el 6%. Estos generadores termoeléctricos, calentados con quemadores de queroseno, son muy utilizados en zonas remotas de Rusia y otras repúblicas de la Comunidad de Estados Independientes para alimentar receptores de radio.

Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura, se produce el efecto inverso. En este caso, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. Este fenómeno se conoce como efecto Peltier en honor al físico francés Jean Peltier, que lo descubrió en 1834. Es posible usar sistemas de semiconductores basados en el efecto Peltier como refrigeradores para aplicaciones especiales.

Los valores de las constantes , , etc, dependen de los metales A yb.Un termopar es un circuito cerrado que consta de dos empalmes (fig. N° 1), a diferentes temperaturas T1 y T2 °C. Si se introduce en el circuito un voltímetro de alta impedancia, de manera que le flujo de corriente sea despreciable, entonces la f.e.m. medida es, aproximadamente, la diferencia de los potenciales de contacto, esto es:

Por lo tanto, la f.em. Medida depende de las temperaturas de ambos empalmes. En lo que sigue, es la temperatura por medir, o sea, la temperatura de empalme de una medición, y es la temperatura del empalme de referencia. A fin de deducir con precisión el valor de a partir de la f.e.m medida, debe conocerse la temperatura del empalme de referencia.

III.- PARTE EXPERIMENTALES:

3.1 INSTRUMENTOS Y MATERIALES:

Un termómetro de mercurio de -10°C a 350°c. Un termopar. Un multímetro digital. Una cocina eléctrica. Un soporte hielo y aceite.

3.2 PROCEDIMIENTO:

A

T. T.

B B

Fig N° .1

Armar el equipo experimental como se muestra en la Fig. N° 2.En las cubetas C y D donde va el empalme de referencia, introducir hielo triturado es decir el empalme de referencia debe mantenerse a una temperatura

= 0°C entonces la ecuación (2) se reduce a:

Utilizar el multímetro digital como voltímetro y ubicarlo en el equipo de acuerdo a la fig. N°. 2.Tomar mediciones de temperatura y diferencias de potencial desde T =0°C asta T = 200°C, para intervalos de 10°C, anotarlos en la tabla N°1. Para una buena medición agite el aceite para uniformizar la temperatura.Repita el paso d. pero en forma descendente y anotar las mediciones en la tabla N°2.

IV.- RESULTADOS: Tabla de datos experimentales.

Tabla N°1: Mediciones en forma ascendente para la temperatura del sensor.N° T °C E (mv)

1 0 02 10 0.33 20 0.94 30 1.45 40 1.86 50 2.37 60 2.68 70 2.99 80 3.4

10 90 411 100 4.312 110 4.713 120 5.214 130 5.615 140 5.816 150 6.317 160 6.718 170 7.219 180 7.620 190 821 200 8.4

Tabla N2: Mediciones en forma descendente para la temperatura del sensor.

N° T °C E (mv)1 200 8.4

2 190 7.53 180 74 170 6.75 160 6.36 150 5.97 140 5.58 130 59 120 4.6

10 110 4.211 100 3.812 90 3.413 80 314 70 2.615 60 2.416 50 217 40 1.718 30 1.319 20 0.9

V.- CUESTIONARIO:5.1 Utilizando los datos de la tabla N°1, la tabla N°2, y Microsoft Excel.

a) Encontrar las ecuaciones polinómicas de calibración ascendente y descendente para grado III, sus coeficientes de correlación y sus gráficos (diferencia de potencial versus temperatura)

Fig. N° 1

E vs T°CASCENDENTE

y = 1E-07x3 - 5E-05x2 + 0.0475x - 0.0469

R2 = 0.9992

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200

TEMPERATURA

DIF

ER

. P

OT

EN

CIA

L

E (mv)

Polinómica (E (mv))

Fig: N° 2

b) Especificar el alcance de entrada y de salida del sensor.

Tabla N°01

Temperatura: 00C – 2000C (Alcance de entrada)Diferencial de potencial (alcance de salida)

Para T = 00C Para T = 2000C

Tabla N°02

Temperatura: 2000C – 200C (Alcance de entrada)Diferencial de potencial (alcance de salida)

Para T = 2000C Para T = 200C

c) Especificar el intervalo de entrada y de salida del sensor.

E vs T°CDESCENDENTE

y = 2E-07x3 - 2E-05x2 + 0.0361x + 0.2158

R2 = 0.9983

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210

TEMPERATURA

DIF

ER

. P

OT

EN

CIA

L

E (mv)Polinómica (E (mv))

Tabla N°01

[00C – 2000C] (Entrada)

[-0.0469 - 8.25 ] (Salida)

Tabla N°02

[2000C – 200C] (Entrada)

[9.84 - 0.95 ] (Salida)

d) Determinar la ecuación de la Línea recta ideal del sensor.

Fig: N° 3

Tabla N°01

Tabla N°02

E vs T°CLINEA RECTA IDEAL

y = 0.0418x + 0.074

R2 = 0.9989

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200

TEMPERATURA

DIF

ER

. P

OT

EN

CIA

L

E (mv)Lineal (E (mv))

e)Determinar la ecuación de la no linealidad del sensor.

Tabla N°01

Tabla N°02

f) Calcular la no linealidad máxima como porcentaje de la deflexión a escala completa del sensor.

Tabla N°01

Por lo tanto no linealidad máx. como porcentaje d. e. c. =

Tabla N°02

Por lo tanto no linealidad máx. como porcentaje d. e. c. =

g) Determinar la sensibilidad del sensor para una temperatura de 100°C.

Tabla N°01

Para

Tabla N°02

Para

h) Determinar la ecuación de histérisis del sensor.

Tabla N°01

i) Calcular la histérisis máxima como porcentaje de la deflexión a escala completa del sensor.

Tabla N°01

5.2 Utilizando los datos de la tabla N°1 y Microsoft Excel, encontrar la ecuación polinómica de calibración para grado III para la ecuación inversa T vs. E, su coeficiente de correlación y su grafica.

Fig: N° 4

5.3 Con la ecuación directa de calibración del termopar grado III, verifique el valor de E para una temperatura T =100 °C.

T°C vs E

y = -0.0046x3 + 0.1838x2 + 7.8169x - 12.727

R2 = 0.9995

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20

DIFER. POTENCIAL

TE

MP

ER

AT

UR

A

E (mv)Polinómica (E (mv))

5.4 Utilizando el termopar calibrado grado III, para medir la temperatura de un horno, se obtiene en el voltímetro una lectura para E =5.5 mv, ¿a qué temperatura se encuentra el horno?

I. DISCUCIONES : Para hacer el diseño del experimento hemos tenido que hacerlo

son bastante cuidado. Unos de los motivos del cuidado fue estar pendiente de no

malograr ningún instrumento. Al tomar los datos de diferencial de potencial hemos tenido que

tener bastante precisión y buen (ojo) para ver la medida mas exacta de la temperatura en el termopar

Claro esta que en el laboratorio siempre vamos a tener márgenes de error al realizar nuestras medidas.

II. CONCLUCIONES: En la tabla N°1 vemos que a medida que la temperatura

aumenta el diferencial de potencia también aumenta. En la tabla N°2 observamos que la temperatura va en forma

descendiente y conjuntamente el diferencial de potencia. De las tablas N°1, N°2, por mas que hemos hecho las medidas

uno en forma ascendente y la otra en forma descendente seguimos observando que si la temperatura aumenta, el diferencial de potencial también.

Las medida en forma ascendente nos da un factor de correlación mas preciso que en forma descendente.

La línea recta ideal vemos que su factor de correlación esta mucho mayor que la polinomial de grado III.