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2010
ESPOCH
Ingeniería Industrial
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA AMBIENTE EN LA MEDICIÓN DE TEMPERATURA CON TERMOPARES
Silvana Haro.
Hugo Colcha.
Giovany Pilco
Bayron Macas
LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN
ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Página 2
DATOS GENERALES
Práctica Nº: Uno
Tema: Influencia del ambiente en la medición de temperatura con termopares
Fecha: 12 de Noviembre del 2010
Profesor: Dr. Marco Haro.
Semestre: Noveno
Integrantes: Silvana Haro
Hugo Colcha
Geovany Pilco
Bayron Macas
OBJETIVO:
Determinar la influencia del ambiente en la medición de temperaturas con
termopares.
MARCO TEÓRICO:
¿Qué son los Termopares?
Un termopar es un sensor de temperatura, hecho de dos alambres de materiales
diferentes y unidos en un extremo, este sensor genera un voltaje muy pequeño
(minivoltios) cuando se le aplica temperatura en la unión de los metales y va en
aumento de acuerdo a la temperatura (efecto Seebeck).
Por ejemplo, una termopar "tipo J" está hecho con un alambre de hierro y otro de
constatan (aleación de cobre y nickel). Al colocar la unión de estos metales a 750
°C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivoltios.1
Grafico 1. Tomado de http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_03/termocuplas.pdf
1 http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_03/termocuplas.pdf
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Construcción mecánica de un Termopar:
Generalmente los termopares vienen encapsulados en un tubo de acero inoxidable
u otro material conocido como vaina, en donde en un extremo está la unión y en el
otro el terminal eléctrico de los cables, poseen una rosca habitualmente de ½” gas,
racor deslizante de ½”, brida de tope ajustable, termopozo, etc; además están
protegidos interiormente de una caja esférica de aluminio llamado cabezal.
Grafica 2. Tomada de: http://www.guemisa.com/hrtemp/docus/sondas.pdf
Tipos de Termopares:
En el siguiente cuadro se aprecian los tipos de termopares, con su denominación,
composición química, rango de temperatura, diámetro del alambre apropiado y la
Fuerza electromotriz. Cabe destacar que el Tipo K y J son las más utilizadas
industrialmente.
CABEZAL
VAINA
ROSCA
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TIPO DENOMINACIÓN COMPOSICIÓN Y SÍMBOLO
RANGO DE TEMPERATURA
(ºC)
DIÁMETRO DEL ALAMBRE
APROPIADO
F.e.m (mv)
B
Platino – rodio 30% vs
platino - rodio 6%
PtRh 30% - PtRh 6%
0…1.500 (1.800)
0.35 y 0.5mm
0…10.094 (13.585)
R
Platino – rodio 13% vs
platino
PtRh 13% - Pt
0…1.400 (1.700)
0.35 y 0.5mm
0…16.035 (20.215)
S
Platino – rodio 10% vs
platino
PtRh 10% - Pt
0…1.300 (1.600)
0.35 y 0.5mm
0…13.155 (15.576)
J
Hiero vs Constantán
Fe – CuNi
-200…700 (900)
-200…600 (800)
3mm 1mm
-7.89…39.130(51.875)
-7.89…33.096(45.498)
K
Níquel – Cromo vs
Níquel /Chromel vs
Alumel)
NiCr – Ni
0…1000 (1.300)
0…900 (1.200)
3 ó 2mm
1.38mm
0…41.269(52.398)
0…37.325(48.828)
T
Cobre vs Contantán
Cu – CuNi
-200…700 (900)
0.5mm
-5.60…14.86(20.86)
E
Níquel – Cromo vs
Contantán (Chromel –
Constantán)
NiCr – CuNi
-200…600 (800)
3mm
-8.83…45.08(68.78)
-9.83…53.11(61.02)
Tabla 1. Tomada de: http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/termocuplas.htm
Termopar Tipo K (NiCr - Ni)
Conocido como Chromel – Alumel. El chromel es una aleación de aproximadamente
90% y 10% de cromo, el Alumel es una aleación de 95% de níquel más aluminio,
silicio y manganeso, razón por la que la norma IEC (Comisión Electrotécnica
Internacional) organización de normalización en los campos eléctrico, electrónico
y tecnologías relacionadas , la especifica NiCr – Ni.
El termopar tipo K, es el más utilizado en la industria, debido a su capacidad de
resistir mayor temperatura que el termopar tipo J. Es utilizable de manera
continua en atmósferas oxidantes e inertes hasta 1260º C.
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Linealización
La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la temperatura no
es lineal (no es una recta), es deber del instrumento electrónico destinado a
mostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir tomar el voltaje y conociendo
el tipo de termopar, ver en tablas internas a que temperatura corresponde este
voltaje.2
Grafica 3. Tomada de: http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_03/termocuplas.pdf
Compensación de cero
Uno de los inconvenientes prioritarios de los termopares es su necesidad de
"compensación de cero". Debido a que en algún punto, se tendrá que juntar los
cables del termopar con un conductor normal de cobre.
En dicho punto se originaran dos nuevos termopares siendo el cobre el metal de
ambos, generando cada termopar un voltaje proporcional a la temperatura de
ambiente (Ta) en el punto de la unión.
Grafica 4. Tomada de: http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_03/termocuplas.pdf
2 http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_03/termocuplas.pdf
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En tiempos pasados se corregía este problema colocando los empalmes en un baño
de hielo a cero grados para que generen cero voltaje (Ta = 0 y luego V (Ta) = 0).
En la actualidad todos los instrumentos modernos miden la temperatura en ese
punto (mediante un sensor de temperatura adicional) y la suman para crear la
compensación y obtener así la temperatura real.3
El punto de unión (llamado "empalme ó juntura de referencia") es siempre en el
conector a la entrada del instrumento pues ahí está el sensor de temperatura. De
modo que es necesario llegar con el cable del termopar hasta el mismo
instrumento.
CÁLCULO DE LA FUERZA ELECTROMOTRIZ TOTAL
La influencia del ambiente en la lectura de temperaturas en un termopar se realiza
de la siguiente manera:
f.e.m = f.e.m (ambiente) + f.e.m (observada)
3 http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_03/termocuplas.pdf
º T
mV c.c
f.e.m = famb + fabs
f.e.m f.abs
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EQUIPO:
1 Horno eléctrico
2 Termopar Tipo K
1 Incinerador de temperatura Tipo K (Display)
1 Mili voltímetro
HORNO
DISPLAY
EQUIPO INSTALADO
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PROCEDIMIENTO:
1- Conectar un termopar tipo K al display el cual medirá la temperatura del
ambiente.
2- Conectar un termopar tipo K al horno eléctrico, el cual estará conectado
al display para de esa manera visualizar la variación de temperatura del
horno eléctrico.
3- Conectar el milivoltímetro en paralelo con el termopar para medir la
variación de mili voltajes al variar la temperatura del horno eléctrico.
4- Encender y calibrar los equipos (horno eléctrico , mili voltímetro ,
display)
5- Registrar datos obtenidos del display y mili voltímetro según varia la
temperatura del horno
6- Obtener los mili voltajes de la respectiva tabla tipo K a la temperatura
ambiente para encontrar la fuerza electromotriz total
7- Obtener la fuerza electromotriz total mediante la suma de la fuerza
electromotriz del ambiente y la fuerza electromotriz observada.
8- Realizar las siguientes graficas :
Milivoltajes observados en el mili voltímetro vs Temperatura del
horno eléctrico.
Milivoltajes de la temperatura ambiente observados en la tabla vs
temperatura del horno eléctrico
Fuerza electromotriz total vs temperatura del horno eléctrico
9.- Analizar las gráficas
10.- Conclusiones y recomendaciones
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MEDICIÓN DE DATOS
º C mv cc
T
Ambiente
mv
Ambiente
Tablas Tipo
K fem Total Diferencia
35 0,5 20 0,798 1,407 1,298 0,109
40 0,7 20 0,798 1,612 1,498 0,114
45 0,9 20 0,798 1,817 1,698 0,119
50 1,1 20 0,798 2,023 1,898 0,125
55 1,3 20 0,798 2,230 2,098 0,132
60 1,5 20 0,798 2,436 2,298 0,138
65 1,7 20 0,798 2,644 2,498 0,146
70 1,9 20 0,798 2,851 2,698 0,153
75 2,1 20 0,798 3,059 2,898 0,161
80 2,4 20 0,798 3,267 3,198 0,069
85 2,6 20 0,798 3,474 3,398 0,076
90 2,8 20 0,798 3,682 3,598 0,084
95 3,0 20 0,798 3,889 3,798 0,091
100 3,2 20 0,798 4,096 3,998 0,098
105 3,4 20 0,798 4,303 4,198 0,105
110 3,6 20 0,798 4,509 4,398 0,111
115 3,8 20 0,798 4,715 4,598 0,117
120 4,0 20 0,798 4,920 4,798 0,122
125 4,2 20 0,798 5,124 4,998 0,126
130 4,5 20 0,798 5,328 5,298 0,030
135 4,6 20 0,798 5,532 5,398 0,134
140 4,8 20 0,798 5,735 5,598 0,137
145 5,0 20 0,798 5,937 5,798 0,139
150 5,2 20 0,798 6,138 5,998 0,140
155 5,4 20 0,798 6,339 6,198 0,141
160 5,6 20 0,798 6,540 6,398 0,142
165 5,8 20 0,798 6,741 6,598 0,143
170 6,0 21 0,838 6,941 6,838 0,103
175 6,2 21 0,838 7,140 7,038 0,102
180 6,4 21 0,838 7,340 7,238 0,102
185 6,6 21 0,838 7,540 7,438 0,102
190 6,8 21 0,838 7,739 7,638 0,101
195 7,0 21 0,838 7,939 7,838 0,101
200 7,2 21 0,838 8,138 8,038 0,100
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GRÁFICAS:
Fig.1 Milivoltajes observados en el milivoltímetro vs Temperatura del horno eléctrico.
Fig. 2 Milivoltajes de la temperatura ambiente observados en la tabla vs
temperatura del horno eléctrico
Fig. 3 Fuerza electromotriz total vs temperatura del horno eléctrico
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SERIE 1 .- Fuerza Electromotríz Observada
SERIE 2 .- Fuerza Electromotríz de Tablas
SERIE 3 .- Fuerza Electromotríz Total, Sumada de Medidas
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CONCLUSIONES
De acuerdo a la variación de temperatura en el horno eléctrico, tambien
variará los milivoltajes en el multímetro, la temperatura se incrementa en 5 0C y los milivoltios se incrementan en 0.2 aproximadamente, por lo tanto la
gráfica tiende a ser una recta.
Existe una diferencia entre la fuerza electromotriz de las tablas y la fuerza
electromotriz total medida debido a las caídas de voltajes, presición de los
instrumentos, a las extensiones utilizadas y la variación de temperatura
ambiente (20 a 21 0C).
Analizando las gráficas se concluye que, la fuerza electromotriz de las tablas
(línea roja) y la fuerza electromotriz sumada(línea verde), es muy superior
a la fuerza electromotriz observada (línea azul) debido a que no esta
adicionada el valor de la fuerza electromotriz de la temperatura ambiente.
RECOMENDACIONES
Al desconocer el tipo de termopar este procedimiento nos permitirá
identificarlo mediante la comparación con tablas entre las lecturas
observadas.
Siempre utilizar extensiones del mismo tipo del termopar, para evitar
errores en la lectura de temperatura, pues si se usa otro tipo de extensión
es como si se integrara otro termopar.
Los cables de extensión deven ser llevados hasta un metro de separación de
las redes eléctricas, pues los campos magnético de estos afectan en la
lectura de los milivoltajes.
Se recomienda una sola sección de estas extensiones, de no ser posible, la
union entre extensiones se realizará con soldadura de plata.