Universidad de Santiago de Chile

Facultad Tecnológica

Departamento de Ciencias y Tecnología de los Alimentos

Ingeniería de Alimentos

Informe N°2: ELEMENTOS SENSITIVOS

PRIMARIOS PARA LA MEDICIÓN DE TEMPERATURA

Profesor:

Gonzalo Madariaga M.

Integrantes:

Kelly lobos

Asignatura:

Instrumentación y control de Procesos.

Resumen

En esta experiencia de laboratorio, se realizaron dos sesiones, de acuerdo al tema a desarrollar: instrumentos de temperatura, para lo cual, la primera sesión correspondió a los instrumentos dentro de un sistema y sus características; y la segunda sesión correspondió a la realización de un sistema de lazo de control cerrado de temperatura tipo ON/OFF.

Para la primera parte se obtuvieron datos experimentales, a través de los cuales se determinó los mVt para la termocupla, haciendo uso de los datos medidos por el instrumento, así como también la medición de la temperatura ambiente para determinar, previa conversión los mVt; y así, poder graficarlos versus la temperatura patrón. Así también, se realizo la interpretación mediante grafico de los datos de las resistencias obtenidas por el instrumento PT-100 versus la temperatura patrón. Para esto casos se obtuvieron gráficos con comportamiento lineal.

Para la determinación del comportamiento del termistor, se realizo su comparación mediante grafico (resistencia versus temperatura) donde se confirmo su comportamiento no lineal, con el grafico representativo para este.

Para la segunda sesión, se construyo un lazo cerrado de control, donde el termostato utilizado fue de baja, pues al observar y analizar los datos obtenidos de manera experimental, se vio que los valores para la temperatura mínima medida fueron constantes, por lo que se plantea que el tornillo de rango o primario esta en ese rango, por lo que es un termostato de control de enfriamiento y/o refrigeración.

Esta experiencia desarrolla la capacidad analítica del alumno, pues permite observar datos y analizarlos con el fin de responder a situaciones que en el campo laboral se pueden presentar, de manera que se logra una optimización del proceso a controlar dentro de la industria.

Introducción

La temperatura es una magnitud física relacionada con la energía cinética asociada a la agitación de las moléculas de alguna sustancia.

La medida de la temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medidas quedan definidas en cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesarios; es importante señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección optima del sistema mas adecuado además es importante señalar que dependiendo del tipo de proceso a controlar, serán los instrumentos que se ocupen para la medición de temperatura.

Entre los fenómenos físicos más conocidos que se han empleado para clasificar temperaturas y hacer termómetros podemos citar:

Dilatación y contracción: de sólidos, líquidos o gases. Con ello se han construido desde los clásicos termómetros de columna líquida, hasta los termómetros bimetálicos.

Variación de Resistencia Eléctrica: la variación de resistencia eléctrica con la temperatura se usa en termómetros en base a termistores y termómetros de resistencia eléctrica (resistencia de Platino, PT100).

Potencial termoeléctrico: si la unión de dos metales diferentes se somete a un gradiente de temperatura, se genera una fuerza electromotriz (fem). Este es el llamado efecto Seebeck y es la base en que se sustentan las termocuplas.

Radiación electromagnética: tanto los pirómetros infrarrojos como los pirómetros ópticos se basan en los fenómenos de radiación para medir temperatura. Ambos tienen la ventaja de que pueden medir a distancia. Los primeros se utilizan para temperaturas muy bajas y los segundos para altas temperaturas (hornos, metales en fusión).

Objetivos

Los objetivos de esta experiencia fueron:

Reconocer y aplicar diferentes elementos sensitivos de temperatura.

Comprobar obtener y comparar curvas de funcionamientos de diferentes sensores de temperatura.

Aplicar sensores de temperaturas en un circuito de control de variables térmicas.

Procedimiento Experimental

Medición de Temperatura

Materiales: Agua Anafre Soporte Universal. Vaso precipitado (1 L). Pt-100. Sistema de bulbo lleno Termistor. Termocupla. Termómetro bimetálico. Termómetro de vidrio. Termómetro digital. Termómetro de radiación.

Procedimiento: Se montaron los instrumentos y equipos como se observa en la figura N°1. Se registraron los valores iníciales de temperaturas, en los instrumentos

correspondientes. Posteriormente se procedió a encender el anafre para calentar el agua que

se encuentra en el vaso precipitado. De acuerdo al instrumento patrón (termómetro de vidrio), cada 10ºC se

registró nuevamente los valores de temperatura, milivolt y ohm correspondiente al instrumento empleado.

Figura N°1:

Montaje de medición de temperatura

Baño de sales termostáticas

Materiales: Termómetro de vidrio Sales termostáticas Baños termostático Ametex

Procedimiento: Luego de realizar todas las conexiones y ajustes correspondientes, se

introdujo el termómetro de vidrio en el baño termostático. Posteriormente Se controló la temperatura en tres puntos; 30, 60 y 90 ºC.

Para seleccionar la temperatura se debe accionar el baño de sales termostáticas, para ello primero presionar set/read, luego slope y manteniendo accionada la flecha hacia arriba hasta llegar por ejemplo a los 30ºC y luego presionar memo 1, condición idéntica para las temperaturas restantes a medir.

Una vez ajustada las temperatura con set/read y memo1, 2 o 3 se esperó que la alarma del equipo sonara, para poder registrar el valor correspondiente.

Figura N°2:

Baño se sales termostáticas

Sistema de Control On/Off

Materiales: Ampolleta. Anafre. Manómetro. Termómetro de vidrio Termostato de bulbo lleno. Ventilador mecánico.

Procedimiento: Se montaron los instrumentos y equipos como se observa en la figura N°3. Se registraron los valores en las condiciones iniciales, es decir, con el

diferencial en el mínimo, luego se ajusta el tornillo de rango y finalmente el diferencial; en cada caso se registraron tres valores.

Posteriormente se procedió a encender el anafre y simultáneamente se enciende la ampolleta inserta en el sistema.

El termostato detecta la temperatura que es generada por el anafre, en el momento que el sistema alcanza la temperatura ajustada por el tornillo de rango o diferencial, se apaga el anafre y la ampolleta.

En este momento se activa el ventilador, el cual enfriara el sistema. Una vez enfriado el sistema se vuelve a encender el anafre y la ampolleta.

Figura N°3:

Sistema de control on/off

Ficha técnica de los instrumentos empleados

PT-100

Longitud de bulbo: 150 mmDiámetro bulbo: 6 mmCaracterísticas: protección acero inoxidable,

Con hilo gas de ½ pulgada, hilo macho. Tipo de sensor: resistencia de platino 100Ω a 0° C. Rango de t° operativo: 0° a 40° C Exactitud: 0,5° C

Termocupla

Longitud: 400 mmTipo: KCaracterísticas: con aislación cerámica (que evita que sus cables se junten).

Sin protecciónPunta torcida y soldada (de 4 vueltas)Combinación de metales: cromo aluminioRangos de temperatura: 0ºC a 277ºC

277ºC a 1149ºC-101ºC a -60ºC

Termómetro bimetálico

Longitud: 120 mmDiámetro: 6 mmCaracterísticas: con funda protectora de acero inoxidable

Con hilo medio gas (hilo macho)Con articulaciónIndicador de esfera, de diámetro 4 pulgadasRango: 0° a 100° CMínima división de la escala: 1° CDistancia de la escala: lineal

Termómetro bulbo lleno

Longitud: 150 mmBulbo: 10 mmLongitud capilar: 6 mEsfera: 6 pulgadasCaracterísticas: tuerca con hilo conector ½ pulgada, hembra

Mínima división de la escala: 2° CRango: 0° a 150° C

Termómetro de vidrio

Longitud: 30 cm largoDiámetro: 6 mmCaracterísticas: funciona bajo las características de dilatación del mercurio debido a la acción del calor.

Rango: -10° a 110° CError instrumental: 1° CMínima división de la escala: 1° C

Termómetro digital

PT-385 de 100ΩCaracterísticas: rango: -200° a 800° C

Mediciones en ° C y ° FOperación sencillaDisplayMarca CHY, modelo 505, made in Taiwán.

Termistor

Diámetro: 5 mmCaracterísticas: Tipo lenteja

Los termistores se componen de una mezcla sintética de óxidos de metales, como manganeso, níquel, cobalto, cobre, hierro y uranio.

Rango: 0.5 ohm a 75 ohm

Resultados

Primera parte

Medición de Temperatura

Tabla 1. Datos experimentales.T.

Vidrio [ ° C ]

T. Digital[ ° C ]

Termocupla[ mV ]

PT- 100Ω

T. bulbo lleno[ ° C ]

TermistorΩ

T. electrónico[ ° C ]

T. amb.[ ° C ]

15 16 -0,975 106,230 16 1564 10,4 1930 31 0,46 112,075 30 818 31,5 1950 52 1,230 119,600 50 376 51 19,570 71,5 2,045 127,285 70 190,9 71,1 19,590 92 2,790 135,320 91 100 90,6 19,596 99 3,050 137,680 97 82,1 97,9 19,5

Fuente: Elaboración propia, a partir de datos obtenidos en clase.

Tabla 2. Datos obtenidos experimentalmente para PT-100PT-100

[ Ω ]

Temperatura patrón

[ ° C ]

106,230 15112,075 30119,600 50127,285 70135,320 90137,680 96

Fuente: Elaboración propia, a partir de datos obtenidos en clase.

Figura 1. Representacion Ω / temperatura para PT-100

Tabla 3. Datos obtenidos experimentalmente para PT-100Termistor

[ Ω ]

Temperatura patrón

[ ° C ]

1564 15818 30376 50

190,9 70100 9082,1 96

Fuente: Elaboración propia, a partir de datos obtenidos en clase 28/04.

Figura 2. Representacion Ω/temperatura para termistor.

Para el calculo del porcetaje de error de los intrumentos: termometro digital, termomentro de bulbo lleno y termómetro bimetal se utilizo la siguiente ecuación:

%e=tp-ti *100 tp

donde:

ti: temperatura obtenida del instrumento [°C]tp: temperatura patron [°C]

Tabla N°4:Calculo del porcentaje de error para los instrumentos correspondientesT

patrón [ ° C ]

% de error T. Digital

% de error T. bulbo lleno

% de error T. bimetal

15 -6,6 -6,6 30,6

30 -3,3 0 -5

50 -4 0 -2

70 -2,1 0 -1,6

90 -2,2 -1,1 -0,666

96 -3,1 -1 -1,9

Fuente: Elaboración propia, a partir de datos obtenidos en clase.

Figura 3. Representacion del error de los instrumentos de acuerdo a la temperatura patron.

Baño de sales termostáticas

Tabla N°5: Datos experimentales Termometro de

vidrio [°C]Baño

termostatico[°C]

29 3059 6088 90

Fuente: Elaboración propia, a partir de datos obtenidos en clase.

Segunda parte

Sistema de Control On/Off

Tabla 6. Datos experimentalesN° de

medidaT máx [° C] T min [° C] (∆T) Observaciones

1 28 24,5 3,5 Condición inicial2 28 24,5 3,53 36 30 6 Se mueve el tornillo de rango 4 36 30,5 65 49 29,5 20 Se mueve el tornillo diferencial6 50 30 20

Fuente: Elaboración propia, a partir de datos obtenidos en clase.

Discusión

Primera parteEn la tabla N°1, se ven las temperaturas que registraron los distintos instrumentos utilizados, existiendo una variación de éstas. Lo anterior se debe a la calibración y a la precisión que tienen en ese instante. La temperatura patrón fue dada por el termómetro de mercurio debido a su particular sensibilidad, además de que es poco probable que se descalibre (excepto si sufre algún golpe físico o térmico).

En el gráfico N°2 se muestra el comportamiento de un termistor frente a la temperatura de un termómetro de mercurio. A pesar de esto, la curva obtenida es la esperada, ya que los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado. Es decir, presentan rápidas variaciones y muy bruscas para los pequeños cambios de temperatura (de 10 en 10), con una curva con línea de tendencia potencial.

En la tabla N°4 están los porcentajes de error de cuatro instrumentos comparados con el termómetro de mercurio. Al realizar una sumatoria del error, el termómetro bimetal es el que da el número más alto (19,43), mientras el de T. Digital es el que da el numero menor (-21,3).

En el grafico N°3 se encuentran graficados los errores de los termómetros digital, de bulbo lleno y termómetro bimetal. De todas las curvas, aquella con la menor área bajo la curva será la menos errónea. En este caso, se puede ver que la curva del termómetro bulbo lleno es la más cercana a la abscisa y con ello, la que presentó menos errores.

Segunda parte

Para esta parte, se realizó un circuito de lazo de control cerrado de temperatura tipo ON/OFF. Para este caso, el termostato utilizado era ciego, por lo que se utilizo un termómetro de vidrio para calibrar. El sistema también contó con dos tornillos (de rango o principal, y diferencial o secundario) los cuales fueron movidos de manera tal que se formara una diferencia visible para la medición de las temperaturas máximas y mínimas del proceso.De acuerdo a ello, y observando la tabla 6., se puede ver que el termostato utilizado en esta experiencia era de baja, pues al analizar los datos se observa que los datos para la temperatura mínima se mantienen constantes, sin una variación considerable, lo cual muestra que ahí se encuentra el tornillo de rango principal. Por lo que el circuito tiene un sistema de control para refrigeración y/o enfriamiento.

Conclusión

La experiencia realizada permitió conocer las características y funcionamientos de los instrumentos de medición de temperatura, así como también la construcción y análisis de un sistema de control de lazo cerrado de temperatura tipo ON/OFF.

Los gráficos obtenidos en la primera sesión experimental realizada mostraron el comportamiento lineal tanto para la termocupla, como para el PT-100, así como también mostro la relación no lineal que posee el termistor, como lo indica la teoría.

Para el caso de la segunda sesión realizada se obtuvo que el termostato utilizado para la experiencia era de baja pues al analizar los datos se observo que el tornillo principal estaría en el rango de datos de temperatura mínima, pues no se observo una variación importante, sino que se mantuvo constante.

Este laboratorio permite desarrollar la capacidad crítica y analítica para diferenciar los instrumentos que se tienen para medir temperatura, así como también poder desarrollar un análisis frente a la evaluación de un termostato en la industria, en el campo laboral.

Percepción del Alumno

Este laboratorio nos hizo ver lo esencial de la calibración de los instrumentos, ya que si no lo están, existirá un error en la lectura y será un factor negativo para un proceso industrial donde se requiera buena precisión.

Cabe indicar que la experiencia fue realizada en forma dinámica, lo que permitió una mayor atención al profesor y un mejor entendimiento para el alumno. Se aprendió sobre los diferentes equipos para medir la temperatura, hecho que nos ayudará a aumentar nuestros conocimientos y a resolver posibles problemas en el futuro.

Podemos ver la importancia de trabajar en equipo y de repartirse las tareas, de manera que se trabaja de manera eficiente, a pesar de los pequeños errores que puedan suscitarse en el transcurso de las lecturas efectuadas por los alumnos y alumnas.

Bibliografía

Libro:

- Instrumentación Industrial. Antonio Creus Sole.

Online:

- PT-100: http://www.ingecozs.com/pt100.pdfVisitada: Lunes 01/11/2010Termocupla: http://www.silge.com.ar/hojtec/redlion/castell/termocuplas.docVisitada: Lunes 01/11/2010.

- T. de vidrio: http://html.rincondelvago.com/medida-de-temperaturas.htmlVisitada: Lunes 01/11/2010

- T. digital: http://www.aemc.com/products/Spanish%20PDFs/2121.28-SP.pdfVisitada: Lunes 01/11/2010Termistor:

http://proton.ucting.udg.mx/temas/control/memo/MEMO.htmlVisitada: Lunes 01/11/2010.

Apuntes:

- Apuntes y tablas entregadas en cátedra y en el laboratorio.