Métodos experimentales

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MEDIDA DE LA TEMPERATURA Introducción. Métodos basados en la dilatación térmica. Métodos eléctricos. Métodos basados en la radiación térmica. Introducción

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Métodos experimentales en Energía Térmica, Medidas de temperatura

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  • MEDIDA DE LA TEMPERATURA

    Introduccin. Mtodos basados en la dilatacin trmica. Mtodos elctricos.Mtodos basados en la radiacin trmica.

    Introduccin

  • Para determinar con precisin la temperatura de un cuerpo es necesario quese establezca el equilibrio trmico entre este y el sistema termomtrico utilizado.Antes de conseguir el equilibrio existe una situacin transitoria ligada a lavelocidad del transporte de energa calorfica y a las caractersticas fsicas delelemento termomtrico (comportamiento dinmico). Los mecanismos detransferencia de calor son:

    Conduccin Conveccin Radiacin

    Se va a clasificar la instrumentacin dedicada a la medida de temperatura enbase a los siguientes mtodos:

    Mtodos basados en la dilatacin trmica Mtodos elctricos Mtodos basados en la radiacin trmica

    INTRODUCCIN

    ESCALAS DE TEMPERATURA

    INTRODUCCIN

  • Mtodos basados en la dilatacin trmica

    DILATACIN TRMICA

    Los instrumentos de temperatura basados en la dilatacin trmica msutilizados son los siguientes:

    Termmetros de lquido en tubo de vidrio. Termmetros de bulbo y espiral. Tiras bimetlicas.

  • DILATACIN TRMICA

    TERMMETROS DE LQUIDO EN TUBO DE VIDRIO. 9 La dilatacin de una masa de lquido por efecto del calor y su

    constatacin como longitud alcanzada por el lquido en un tubocapilar de vidrio, constituye el mtodo ms conocido y uno de losms sencillos para medir la temperatura.

    9 El instrumento est formado por un depsito de vidrio quecontiene el lquido (bulbo). El fluido cuando se dilata asciende porun tubo capilar.

    9 Los fluidos de relleno ms usados en estos termmetros y sucampo de medida son:

    9 La rapidez de respuesta de estos instrumentos es funcin de dosfactores: la capacidad calorfica del sistema termomtrico y delmecanismo de transporte de calor. No hay que olvidar el efectoque tiene en la precisin de la medida el volumen real del bulbo(dilataciones del vidrio).

    Sustancia Campo de medida

    Mercurio -35 a 280 C

    Pentano -200 a 20 C

    Etanol -80 a 50 C

    Tolueno -70 a 100 C

    DILATACIN TRMICA

    TERMMETROS DE BULBO, ESPIRAL Y CAPILAR.

    9 Los termmetros de bulbo y espiral estn construidos con un bulbo ocubeta (en contacto con la variable fsica) y una espiral hueca unida por uncapilar al bulbo.

    9 La longitud del capilar puede ser hasta de 60 m, permitiendo la indicacin adistancia de la temperatura.

    9 La espiral es un tubo de Bourdon, que responde a cambios en la presin oen el volumen del fluido que contiene, por efecto de la variacin detemperatura en el bulbo.

  • DILATACIN TRMICA

    TERMMETROS DE BULBO, ESPIRAL Y CAPILAR. 9 Una primera clasificacin de los termmetros de bulbo y espiral es funcin

    del tipo de respuesta dada por la espiral:

    Bourdon que responde a cambios en el volumen Bourdon que responde a cambios en la presin

    9 Los primeros son sistemas termomtricos llenos de lquido.9 Los segundos contienen gas, o se encuentran parcialmente llenos por un

    lquido voltil.

    9 Otra clasificacin de estos instrumentos dada por la SAMA (Asociacin defabricantes de aparatos cientficos de Amrica) es:

    Principio volumtrico

    Principio de presin

    Llenos con lquido (distinto de Hg) CLASE ILlenos con mercurio CLASE V

    Llenos de vapor CLASE IILlenos de gas CLASE III

    DILATACIN TRMICA

    TERMMETROS DE BULBO, ESPIRAL Y CAPILAR. 9 En los termmetros actuados por lquido la variacin del volumen con la

    temperatura (dilatacin) es prcticamente lineal. La presin del fluido sueleser elevada y se mantiene sensiblemente constante. Los fluidos msusados son el mercurio, xileno, alcohol y ter.

    9 Los cambios ambientales de temperatura afectan al volumen de lquido, enel capilar y en la espiral.

    9 Para longitudes de capilar menores de 5 m, el volumen de capilar esdespreciable frente al resto y no se corrige este error.

    9 Si la longitud es mayor, se introduce un alambre de invar que tienepropiedades de dilatacin especiales, conservando constante el volumentil (corona circular) entre la pared del capilar y el alambre.

    9 La compensacin del efecto trmico en el Bourdon por causas ambientalesse lleva a cabo mediante una hlice bimetlica que se opone al movimientodel Bourdon, o con un segundo sistema capilar-espiral sin conexin abulbo, idntico al de medida y que se opone a l.

  • DILATACIN TRMICA

    TERMMETROS DE BULBO, ESPIRAL Y CAPILAR. 9 Compensacin por efecto trmico medioambiental

    DILATACIN TRMICA

    TERMMETROS DE BULBO, ESPIRAL Y CAPILAR. 9 En los termmetros actuados por gas el cambio de temperatura en el

    bulbo es transmitido como un cambio de presin en el gas, siendodespreciable la variacin de volumen.

    9 La variacin de la presin con la temperatura es prcticamente lineal.

    9 El efecto de la temperatura ambiente sobre estos instrumentos puede sercorregido mediante procedimientos anlogos a los termmetros llenos delquido.

    9 Las variaciones baromtricas no afectan en demasa a la medida de estosinstrumentos y son eliminadas por correccin del cero.

  • DILATACIN TRMICA

    TERMMETROS DE BULBO, ESPIRAL Y CAPILAR. 9 Los termmetros actuados por vapor introducen en su bulbo un fluido

    lquido voltil (cloruro de metilo, ter dietlico, agua, tolueno, dixido deazufre, etc.).

    9 El resto del sistema est ocupado por el vapor correspondiente, a unapresin que es funcin de la temperatura del bulbo.

    9 En este caso la salida no es lineal ya que seguir las curvas de tipoexponencial presin de vapor-temperatura.

    9 La medida no est afectada por la temperatura ambiental (siempre que seamayor que la que se mide) y la correccin por presin pasa por ajustar elcero.

    9 Para evitar la condensacin del vapor y la aparicin de longitudes variablesde columna de fluido condensado, se introduce junto al lquido voltil unlquido de baja volatilidad, que ocupa capilar y espiral y sirve comoelemento de transmisin de la presin de vapor.

    DILATACIN TRMICA

    TIRAS BIMETLICAS.

    9 Las tiras bimetlicas estn construidas con dos lminas de distintosmetales o aleaciones unidas mediante soldadura.

    9 Cada una de las lminas posee distinto coeficiente de dilatacin.9 Al producirse un calentamiento o enfriamiento de las lminas, una de ellas

    se dilata o contrae ms que la otra, corvndose el conjunto en uno u otrosentido.

    9 Entre los materiales ms empleados se encuentran latn, invar y monel.Se construyen en lminas o en espiral, cintas, hlices, etc., buscandomayores sensibilidades.

    9 Su utilizacin ms usual es, domstica (termostatos de hornos, lmparasintermitentes para vehculos, etc.), en instrumentos (compensadores detemperatura) e industrial (sensores de temperatura).

  • DILATACIN TRMICA

    TIRAS BIMETLICAS.

    Mtodos elctricos

  • MTODOS ELCTRICOS

    La caracterstica comn, de los mtodos elctricos de medida de latemperatura, es que en todos ellos la salida del elemento primario es algn tipode seal elctrica: resistencia, tensin, fuerza electromotriz o cualquier otravariable elctrica. Entre los instrumentos mas conocidos se pueden citar:

    Termmetros de resistencia Termistores Termopares Otros elementos termomtricos

    TERMMETROS DE RESISTENCIA

    MTODOS ELCTRICOS

    9 Prcticamente todos los agentes fsicos pueden alterar la resistividad de unconductor. Para un metal puro en estado cristalino y a una temperaturadeterminada, la resistividad es una magnitud caracterstica del mismo.

    9 Las variaciones de temperatura en un conductor tienen un papel decisivoen su valor de resistividad y consecuentemente en su resistencia elctrica.

    9 Para algunos conductores de longitud y seccin conocida la variacin desu resistencia elctrica con la temperatura obedece a una ley lineal,siempre que los cambios de temperatura no sean excesivos.

    Rt y Ro son las resistencias del hilo a t y 0 C, respectivamente. , es elcoeficiente de resistencia de temperatura del material.

    9 Los termmetros basados en este fenmeno se les denominantermmetros de resistencia o RTD (detectores de temperatura deresistencia).

    t)+.(1R=R ot D

  • TERMMETROS DE RESISTENCIA

    MTODOS ELCTRICOS

    9 Al material de construccin de la termorresistencia debe exigrseledeterminadas caractersticas:

    Alto valor del coeficiente de resistencia de temperatura (alta sensibilidad) Alto valor de la resistividad (mayor sensibilidad)Hilos con elevada longitud y reducida seccin, con el fin de conseguir

    valores de Ro elevados. Esta caracterstica puede ser encontrada enmateriales dctiles y rgidos.

    Que presente relaciones resistencia-temperatura lineales.Que sea estable en el tiempo en cuanto a sus caractersticas de trabajo.Que sea econmico.

    TERMMETROS DE RESISTENCIA

    MTODOS ELCTRICOS

  • TERMMETROS DE RESISTENCIA

    MTODOS ELCTRICOS

    9 Fsicamente una RTD es un arrollamiento de hilo muy fino, bobinado entrecapas de material aislante y protegido por un revestimiento, generalmente,de vidrio o cermico.

    9 Los modelos de resistencias de platino mas frecuentemente fabricadosobedecen a valores de resistencia a 0C entre 100 y 1000 ohmios, y el dems uso es el de 100 ohmios (Pt 100).

    9 La medida de la resistencia proporcionada por el elemento primario serealiza con el auxilio de un puente de Wheatstone (transmisor), que tieneen uno de sus brazos el elemento sensor.

    9 La seal de resistencia es enviada a distancia hacia el puente deWheatstone. Los hilos de conexin entre ambos instrumentos incrementanla resistencia del brazo que ocupa la sonda.

    TERMMETROS DE RESISTENCIA

    MTODOS ELCTRICOS

    9 El aumento de la resistencia debido a los dos hilos de conexin no sera deimportancia si estos fueran homogneos en composicin y dimensiones, yno se vieran afectados por cambios en la temperatura ambiental.

    9 Con el fin de evitar o minimizar los errores de medida por la conexin, seacostumbran a usar montajes en tres y cuatro hilos en lugar del montaje endos hilos.

    9 El montaje en dos hilos slo se emplea cuando no se requiere elevadaexactitud y la resistencia aadida por los hilos es de baja cuanta.

    9 El montaje en tres hilos, que es el ms utilizado en la prctica, elimina loserrores asociados a los cambios de temperatura ambiental en los hilos.

    9 El montaje en cuatro hilos, que en realidad son dos medidas consecutivasen un montaje en tres hilos, elimina los errores debidos a la falta dehomogeneidad en composicin, longitud y seccin de los hilos de conexin.

  • TERMISTORES

    MTODOS ELCTRICOS

    9 Son semiconductores electrnicos que presentan, al contrarioque las RTD, coeficientes de resistencia de temperaturanegativos.

    9 Son xidos metlicos (Co, Cu, Fe, Mg, Ti, etc.) o mezclas deellos sometidos a un proceso de sinterizado.

    9 Fsicamente se encuentran sellados, con salida a dos hilos yrecubiertos en vidrio, material cermico, etc.

    9 En valor absoluto, los coeficientes de resistencia detemperatura de los termistores son mayores que los de lasRTD y, por tratarse de materiales semiconductores, suresistencia especfica es mucho ms elevada que la de lastermorresistencias. (elevada sensibilidad)

    9 Una desventaja de los termistores es que la caractersticaresistencia-temperatura no es lineal sino de tipo exponencial.

    9 Amplio campo de aplicacin (indicacin, compensacin, etc.),pudiendo medirse con precisin temperaturas del orden demilsimas de grado Kelvin. Dada su gran resistencia, sonutilizados para transmitir la temperatura a elevadas distancias.

    TERMOPARES

    MTODOS ELCTRICOS

    9 El termopar se basa en el efecto termoelctrico, descubierto por Seebecken 1821, de la circulacin de una corriente en un circuito cerrado formadopor dos metales diferentes cuyas uniones (unin de medida o caliente yunin de referencia o fra) se encuentran a distinta temperatura.

    9 La circulacin de corriente obedece a dos efectos termoelctricoscombinados, el efecto Peltier que provoca la liberacin o absorcin decalor en la unin de dos metales distintos cuando una corriente circula atravs de ella, y el efecto Thomson que consiste en la liberacin oabsorcin de calor cuando una corriente circula a travs de un metalhomogneo en el que existe un gradiente de temperaturas.

  • TERMOPARES

    MTODOS ELCTRICOS

    9 La f.e.m. generada es una funcin de la diferencia de temperaturas entre launin caliente y la unin fra para un par concreto de termoelementos.

    9 Los valores de esta f.e.m. se encuentran tabulados cuando la unin dereferencia est a 0 C.

    9 En la prctica es necesario compensar la temperatura de la unin dereferencia (termistor).

    9 Si la temperatura de referencia no es de 0 C, puede conocerse latemperatura medida por el termopar con el auxilio de tablas y recurriendo ala Ley de las temperaturas intermedias o sucesivas: "la f.e.m. generada porun termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la sumaalgebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2, y de laf.e.m. del mismo termopar con sus uniones a T2 y T3".

    9 La caracterstica f.e.m.-temperatura en muchos termopares essensiblemente lineal.

    9 Las conexiones del termopar al instrumento de medida de la f.e.m. sehacen mediante alambres de extensin, o de compensacin concaractersticas termoelctricas similares al material de los termoelementos.

    TERMOPARES

    MTODOS ELCTRICOS

    9 Entre las diversas clases de termopares existentes las ms comnmenteusadas son las cinco establecidas por ISA:

    Tipo T: Cobre soldado con Constantn.Tipo J: Hierro soldado con Constantn.Tipo K: Cromel soldado con Alumel.Tipo R: Platino soldado con Platino-Rodio (13 %).Tipo S: Platino soldado con Platino-Rodio (10 %).

    9 Existen otras normas de termopares que se diferencian algo de lasanteriores as, la Norma alemana contempla los siguientes termopares:Cobre soldado con Constantn, Hierro soldado con Constantn,Platino soldado con Platino-Rodio, Nquel soldado con Cromo-Nquel.

    9 La medida de la f.e.m. generada por el termopar se puede hacer en dostipos de circuitos:

    Circuito potenciomtricoCircuito galvanomtrico

  • TERMOPARES

    MTODOS ELCTRICOS

    TERMOPARES

    MTODOS ELCTRICOS

    9 Las aplicaciones ms importantes de los termopares son: Por la seguridad de respuesta y sensibilidad, el par Platino/Platino-Rodio

    se emplea como patrn de referencia para la Escala PrcticaInternacional de Temperaturas (IPTS), entre el punto de fusin del oro yel del antimonio.

    Adems de los tpicos usos industriales, se pueden fabricar en tamaostan reducidos que permiten la medida de la temperatura de insectos depequeo tamao.

    Medida de temperatura superficial, soldando la unin caliente a la propiasuperficie o a travs de una chapa de cobre.

    Permiten la medida del acero lquido, utilizando una funda protectora desilicio. El tiempo de inmersin es muy breve.

    9 Puede conseguirse una mayor sensibilidad del instrumento uniendo enserie varios termopares. A este conjunto se le denomina termopila. Dosson los formatos ms habituales, formacin en serie y formacin enestrella.

  • OTROS ELEMENTOS TERMOMTRICOS

    MTODOS ELCTRICOS

    9 Los cristales de cuarzo, excitados a una frecuencia fija, son sensibles a lasvariaciones de temperatura modificando la seal de frecuencia de formalineal.

    9 Los termmetros acsticos permiten medir temperaturas tanto por debajode 20 K, como temperaturas elevadas de hasta 17000 K (plasma).Relacionan el cambio en la velocidad de propagacin del sonido por efectotrmico con la temperatura.

    9 Los sensores capacitivos miden el cambio en la capacidad de uncondensador por efecto de la temperatura en su dielctrico.

    9 Los semiconductores modifican sus caractersticas elctricas comorespuesta a cambios en la temperatura (circuitos integrados).

    Mtodos basados en la radiacin trmica

  • RADIACIN TRMICA

    9 A los elementos que utilizan la radiacin trmica para medir la temperaturase les suele denominar con el nombre genrico de pirmetros.

    9 Los pirmetros de radiacin miden la temperatura de un objeto sin contactofsico con l.

    9 La Ley fundamental que gobierna estos fenmenos es la Ley de Stefan-Boltzmann: "La energa radiada por la superficie de un cuerpo esproporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta delcuerpo".

    9 Existen dos tipos de pirometra de radiacin, funcin del campo delongitudes de onda de la radiacin que absorban:

    Pirmetros de radiacin totalPirmetros pticos

    RADIACIN TRMICA

    PIRMETROS DE RADIACIN TOTAL

    9 Captan toda la radiacin entre 0,1 micras para la radiacin ultravioletahasta, al menos, 12 micras en el infrarrojo.

    9 La medida con el pirmetro de radiacin total se consigue al concentrartoda la radiacin, mediante una lente convergente de pirex, slice o fluorurode calcio, sobre un elemento termosensible tal como una termopila.

    9 Pirmetros de infrarrojos.

  • RADIACIN TRMICA

    PIRMETROS PTICOS

    9 Trabajan en el espectro visible.9 Se compara la radiacin visible de la fuente con la radiacin emitida por el

    filamento de una lmpara calibrada.

    9 La mayor o menor intensidad luminosa del filamento se consiguemodificando la intensidad del circuito de alimentacin de la lmpara, ointroduciendo filtros absorbentes calibrados y manteniendo constante laenerga radiada por el filamento.

    INSTRUMENTOS DE TEMPERATURA