UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTAFACULTAD DE INGENIERAESCUELA ACADEMICICO PROFESIONAL DE INGENIERA EN ENERGA

INSTRUMENTO VIRTUAL DE UN TERMOPARMETROLOGA E INSTRUMENTACIN

Profesor del curso : Paredes Gonzales PedroAlumnos : Chavez Espinoza Jorge Ponte Goicochea Schneider Gutierrez Pirgo YuniorFecha de entrega : 14 julio 2014

Nuevo Chimbote PerINSTRUMENTO VIRTUAL DE UN TERMOPAR

I. OBJETIVOS

1.1. Determinar la ecuacin emprica de un elemento sensor (termopar), mediante la medicin de temperaturas y diferencia de potencial.1.2. Disear el VI en Labview, con la inclusin del elemento procesador de datos (USB-6008).1.3. Aprender a utilizar el amplificador diferencial.

II. FUNDAMENTO TERICOUn termopar es un dispositivo para la medicin de temperatura, basado en efectos termoelctricos. Es un circuito formado por dos conductores de metales diferentes, unidos en sus extremos y entre cuyas uniones existe una diferencia de temperatura, que origina una fuerza electromotriz (fem) efecto Seebeck.La fuerza electromotriz generada por el termopar est en funcin de la diferencia de temperatura entre la unin fra y caliente, pero ms especficamente, sta es generada como un resultado de los gradientes de temperatura los cuales existen a lo largo de la longitud de los conductores (Ver figura 1). Existe una circulacin de corriente en el circuito formado por los dos metales expuestos a diferentes temperaturas, esta circulacin de corriente obedece a dos efectos termoelctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberacin o absorcin de calor en la unin de dos metales distintos cuando una corriente circula a travs de la unin y el efecto Thomson que consiste en la liberacin o absorcin de calor cuando una corriente circula a travs de un metal homogneo en el que existe un gradiente de temperatura.

Fig. 1: Termopar

2.1. EFECTO PELTIER

El efecto Peltier puede ponerse de manifiesto en el montaje de la figura 2 trmica formada por la unin en su centro de dos metales distintos se hace pasar una corriente en uno u otro sentido con el interruptor K2 (desconectndose la pila) y se cierra K2 leyendo en el galvanmetro la f.e.m. creada, que es proporcional a la temperatura alcanzada por la cruz trmica en cada caso.

Se observar que restando el calentamiento hmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulacin de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unin.

Fig. 1: Efecto Peltier

2.2. EFECTO THOMSON

El efecto Thomson puede detectarse en el circuito de la figura 3 formado por una barra metlica MN, con un termopar diferencial AB aislado y una bobina H para calentamiento elctrico centrada con relacin a AB. En rgimen, calentando con la bobina H uno de los puntos, el B por ejemplo, se presentar una diferencia de temperaturas con el A, lo que acusar en el galvanmetro; si ahora se hace pasar una corriente por la barra MN, se notar un aumento o disminucin de temperatura diferencial con el efecto contrario si se invierte la corriente.

Fig. 3: Efecto Thomson

2.3. LEYES FUNDAMENTALES

La combinacin de los dos efectos, de Peltier y de Thomson, es la causa de la circulacin de corriente al cerrar el circuito en el termopar.

Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido tres leyes fundamentales:

Ley del circuito homogneo: En un conductor homogneo no puede sostenerse la circulacin de una corriente elctrica por la aplicacin exclusiva de calor.

Ley de los metales intermedios: Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metlicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo A y B.

Ley de temperaturas sucesivas: La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T3.

Por estas leyes bsicas se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequea tensin continua proporcional a la temperatura de la unin medida, siempre que haya una diferencia de temperatura con la unin de referencia. Los valores de esta f.e.m. estn tabulados en tablas de conversin con la unin de referencia a 0 C.

2.4. TIPOS DE TERMOPAR

La magnitud de la FEM depende de los materiales conductores utilizados por el termopar y de sus condiciones metalrgicas. Subsecuentes cambios en la composicin del material causados por la contaminacin, mecnicos extraos, o choques termales influyen y modifican la FEM.

Con el tiempo y el uso, la degradacin del termopar es inevitables, por lo que un esquema de: Calibracin inicial, verificaciones regulares y reemplazo eventual, debe ser establecido.

Si por razones prcticas la longitud de los termopares se incrementa, sta ser hecha por el empleo de extensin correcta. El cable de extensin consiste de conductores hechos nominalmente del mismo material de los conductores del termopar.

La seleccin de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosin, a la oxidacin, a la reduccin y a la cristalizacin, que desarrollen una FEM relativamente alta, que sean estables, de bajo coste y de baja resistencia elctrica y que la relacin entre la temperatura y la FEM sea tal que el aumento de sta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de temperatura.

La siguiente tabla de la figura 4, muestra los tipos de termopares con sus respectivos alcances de temperatura.

Fig. 4: tabla de tipos de termopares

2.5. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Las conexiones entre el cable de compensacin, el termopar y el instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de compensacin, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la instalacin debe evitar el paso prximo por fuentes de calor (aparece el efecto Thomson). Si estas recomendaciones no se cumplen aparecen tensiones trmicas de corriente continua que dan lugar a un desplazamiento en la calibracin del instrumento.

Para medir la FEM del termopar pueden emplearse el circuito galvanomtrico o el circuito potenciomtricos, pero para fines de la prctica se utiliz el circuito galvanomtrico (ver figura 5).

Fig. 5: Diagrama de sistema piromtrico

2.6. ECUACIN DE CALIBRACIN

La ecuacin de calibracin est dado por una serie de potencias de la FEM en funcin de la temperatura de la siguiente forma:

Los valores de las constantes a1,a2, etc, dependen de los metales A y B.

Un termopar es un circuito cerrado que consta de dos empalmes, a diferentes temperaturas T1 y T2 C. Si se introduce en el circuito un voltmetro 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 medicin, y es la temperatura del empalme de referencia. A fin de deducir con precisin el valor de a partir de la f.e.m medida, debe conocerse la temperatura del empalme de referencia.

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Se trata de una configuracin con dos entradas, en la que se amplifica la diferencia de potencial entre ambas. Para obtener las expresiones correspondientes a esta configuracin tendremos en cuenta que su comportamiento es en todo momento lineal. Por ello, aplicaremos el teorema de superposicin. Primero supondremos que una de las tensiones de entrada es nula y obtendremos la salida correspondiente, a continuacin supondremos que la otra tensin es nula y tambin obtendremos la expresin de Vo, la solucin completa se consigue mediante la suma de ambas soluciones.

Analizamos el circuito por superposicin dividindolo en los dos subcircuitos siguientes:- Primer caso: V2=0:En este caso al considerar que V2 es igual a cero obtenemos que R1 y R2 estn en paralelo con lo cual el circuito tomara la forma:

Sabemos que la intensidad I que atraviesa la resistencia equivalente debe ser nula, por lo que V+=0. Con esto nuestro circuito se convierte en un circuito amplificador inversor, que ya conocemos y por tanto podemos decir que

-Segundo caso: V1=0:

Ahora el circuito es un amplificador NO inversor con la nica diferencia de que en nuestro caso no aplicamos una tensin directamente sobre V+. Por ello, debemos buscar primero el valor de V+. Como sabemos que I=0, por lo tanto

Sustituyendo en la expresin de Vo del amplificador NO inversor que ya conocemos obtenemos:

La expresin de V0Totalaplicando el teorema de superposicin ser:

En cuanto a la ganancia G ser:

Las expresiones que hemos obtenido anteriormente se deben enparte al hecho de disponer de dos resistencias R1exactamenteiguales entre s y lo mismo ocurre con las R2. Por ello se diceque las R1deben estar apareadas as como las dos resistenciasR2, lo que quiere decir que deben ser exactamente iguales.Un tema importante a tener en cuenta en la utilizacin de estedispositivo es el de la impedancia que ofrece al exterior. As,si colocamos los extremos de una pila en las entradas delcircuito, debe de producir en la salida una seal amplificada dela entrada. Sin embargo esto no siempre es as.

En la figura de la izquierda mostramos cmo se conectara la pila al circuito y a la derecha se muestra el esquema correspondiente formado por la pila ideal, una resistencia interna de la misma R0 y la resistencia de entrada Ri que muestra nuestro circuito al exterior. En caso de que R0 sea comparable a Ri caer una tensin importante en los extremos deR0 y la tensin en los extremos de Ri (la que el circuito tomar como seal de entrada) ser muy diferente de la nominal de la pila. Por el contrario en el caso de que R0 sea muy pequea frente a Ri casi toda la tensin caer en Ri y por tanto se parecer mucho a la tensin nominal de la pila. Vamos a calcular la resistencia de entrada de nuestro circuito.

Estudiando la malla sealada en la figura:

En donde el trmino (V--V+) es nulo al considerar el caso ideal.La resistencia de entrada ser:

Expresin que nos indica que nuestra resistencia de entrada no debe ser muy elevada. Si recordamos que G=R2/R1 y suponemos que G es muy grande, realmente estamos diciendo que R2 debe ser muy grande con respecto a R1 pero eso no indica que R1 sea grande. En muchos casos R1 puede alcanzar valores de 103, 104e incluso ms pero esos valores no son desde luego infinito. Para evitar los problemas presentados arriba y que nuestro circuito siga funcionando como se pretende colocamos un SEGUIDOR DE TENSIN a cada una de las entradas de nuestro circuito, como se muestra en la figura siguiente.

Dado que la intensidad de entrada en los dos seguidores de tensin es nula, la impedancia de entrada que ofrece el circuito ser infinita. Este tipo de amplificadores forman la base principal de los amplificadores utilizados en los instrumentos de medidas.

III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Armar el equipo experimental como se muestra en la figura.

En el recipiente donde va el TERMOPAR, introducir hielo triturado es decir el empalme de referencia debe mantenerse a una temperatura = 0C.

Conectar un terminal a la tarjeta de adquisicin de datos (USB-6008) e instalarlo en el programa Labview.

Tomar mediciones de temperatura y diferencias de potencial desde T =0C asta T = 100C, para intervalos de 10C, anotarlos en la tabla N1. Para una buena medicin uniformizar las lecturas

Tabla N1T(C)E(v)

0-0.31355783

10-0.18454165

20-0.141451

30-0.00726533

400.0969306

500.1958435

600.30461667

700.4046375

800.52087857

900.634153

1000.7214437

Armar el circuito virtual en el programa Labview para construir nuestro instrumento virtual de temperatura con un diagrama de bloques como la figura mostrada captada en el laboratorio. De tal manera que nuestro instrumento virtual de temperatura nos muestre el comportamiento grfico, un almacenador promedio por cada segundo, una tabla de datos y la medida de la temperatura en cada instante.

IV. RESULTADOS

4.1. Tabla experimental de datos

Tabla N1T(C)E(v)

0-0.31355783

10-0.18454165

20-0.141451

30-0.00726533

400.0969306

500.1958435

600.30461667

700.4046375

800.52087857

900.634153

1000.7214437

T = 95.737v + 30.577R = 0.9981

Tras ejecutar todos los pasos y armar el circuito en el diagrama de bloques nuestro elemento presentador de datos nos qued de la siguiente manera:

V. CONCLUSIONES

En la tabla N1 vemos que a medida que el voltaje aumenta, la temperatura tambin aumenta.

La lnea grfica de grado vemos que se comporta de manera lineal conforme aumenta la temperatura.

VI. BIBLIOGRAFA

Instrumentacin Industrial Antonio Creus

Gua de Termopares Ing. Silvia Medrano Guerrero