UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

PRIMERA PRCTICA DE LABORATORIO DE MEDICIONES Y ENSAYOS

EN INGENIERIA MECANICA

I. OBJETIVO:

Conocer las maneras de medicin de temperatura y tener una referencia relativa de los instrumentos a utilizar.

II. INTRODUCCION:

En este experimento nosotros medimos temperatura del agua almacenada en un recipiente el cual fue calentado gracias a un calentador elctrico, para medir la temperatura utilizamos una termocupla de tipo K

Este tipo de ensayo se realizo con fin didctico ya que de esa manera nosotros pudimos medir la temperatura del agua y tambin pudimos observar el funcionamiento de una termocupla.

III. FUNDAMENTO TEORICO:

TEMPERATURA:

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o fro que puede ser medida con un termmetro. En fsica, se define como una magnitud escalar relacionada con la energa interna de un sistema termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica. Ms especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa interna conocida como energa cintica, que es la energa asociada a los movimientos de las partculas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energa cintica de un sistema, se observa que ste se encuentra ms caliente; es decir, que su temperatura es mayor.

El desarrollo de tcnicas para la medicin de la temperatura ha pasado por un largo proceso histrico, ya que es necesario darle un valor numrico a una idea intuitiva como es lo fro o lo caliente.

Multitud de propiedades fisicoqumicas de los materiales o las sustancias varan en funcin de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (slido, lquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presin de vapor, su color o la conductividad elctrica. As mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones qumicas.

La temperatura se mide con termmetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medicin de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor cero kelvin (0 K) al cero absoluto, y se grada con un tamao de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del mbito cientfico el uso de otras escalas de temperatura es comn. La escala ms extendida es la escala Celsius, llamada centgrada; y, en mucha menor medida, y prcticamente slo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. Tambin se usa a veces la escala Rankine (R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamao de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada nicamente en Estados Unidos, y slo en algunos campos de la ingeniera.

INSTRUMENTOS PARA MEDIR LA TEMPERATURA:

El termmetro es un instrumento de medicin de temperatura. Desde su invencin ha evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de los termmetros electrnicos digitales.

Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenmeno de la dilatacin, por lo que se prefera el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatacin, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fcilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termmetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.

Tipos de termmetros:

Termmetro de mercurio: es un tubo de vidrio sellado que contiene mercurio, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. Este cambio de volumen se visualiza en una escala graduada. El termmetro de mercurio fue inventado por Gabriel Fahrenheit en el ao 1714.

Pirmetros: termmetros para altas temperaturas, son utilizados en fundiciones, fbricas de vidrio, hornos para coccin de cermica etc.. Existen varios tipos segn su principio de funcionamiento:

Pirmetro ptico: se fundamentan en la ley de Wien de distribucin de la radiacin trmica, segn la cual, el color de la radiacin vara con la temperatura. El color de la radiacin de la superficie a medir se compara con el color emitido por un filamento que se ajusta con un reostato calibrado. Se utilizan para medir temperaturas elevadas, desde 700 C hasta 3.200 C, a las cuales se irradia suficiente energa en el espectro visible para permitir la medicin ptica.

Pirmetro de radiacin total: se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzmann, segn la cual, la intensidad de energa emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.

Pirmetro de infrarrojos: captan la radiacin infrarroja, filtrada por una lente, mediante un sensor fotorresistivo, dando lugar a una corriente elctrica a partir de la cual un circuito electrnico calcula la temperatura. Pueden medir desde temperaturas inferiores a 0 C hasta valores superiores a 2.000 C.

Pirmetro fotoelctrico: se basan en el efecto fotoelctrico, por el cual se liberan electrones de semiconductores cristalinos cuando incide sobre ellos la radiacin trmica.

Termmetro de lmina bimetlica: Formado por dos lminas de metales de coeficientes de dilatacin muy distintos y arrollados dejando el coeficiente ms alto en el interior. Se utiliza sobre todo como sensor de temperatura en el termohigrgrafo.

Termmetro de gas: Pueden ser a presin constante o a volumen constante. Este tipo de termmetros son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibracin de otros termmetros.

Termmetro de resistencia: consiste en un alambre de algn metal (como el platino) cuya resistencia elctrica cambia cuando vara la temperatura.

Termopar: un termopar o termocupla es un dispositivo utilizado para medir temperaturas, basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos.

Termistor: es un dispositivo que vara su resistencia elctrica en funcin de la temperatura. Algunos termmetros hacen uso de circuitos integrados que contienen un termistor, como el LM35.

Termmetros digitales: son aquellos que, valindose de dispositivos transductores como los mencionados, utilizan luego circuitos electrnicos para convertir en nmeros las pequeas variaciones de tensin obtenidas, mostrando finalmente la temperatura en un visualizador. Una de sus principales ventajas es que por no utilizar mercurio no contaminan el medio ambiente cuando son desechados.

Termmetros clnicos: son los utilizados para medir la temperatura corporal. Los hay tradicionales de mercurio y digitales, teniendo estos ltimos algunas ventajas adicionales como su fcil lectura, respuesta rpida, memoria y en algunos modelos alarma vibrante.

FUNCIONAMIENTO DE TERMOCUPLAS:

Un termopar (tambin llamado termocupla) es un transductor formado por la unin de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es funcin de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unin caliente o de medida y el otro denominado "punto fro" o unin fra o de referencia.

En Instrumentacin industrial, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son econmicos, intercambiables, tienen conectores estndar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitacin es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado Celsius son difciles de obtener.

IV. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR:

Para esta experiencia nosotros utilizamos los siguientes materiales:

Recipiente con agua.

Calentador elctrico.

Termmetro de lquido en vidrio.

Termocupla tipo K.

Voltmetro.

V. PROCEDIMIENTO:

Llenamos el recipiente con agua.

Tomamos la temperatura ambiente y la temperatura inicial del agua.

Conectamos los extremos de la termocupla al voltmetro, y el extremo soldado lo introducimos dentro del recipiente con agua, teniendo cuidado de que no toque el fondo del recipiente.

Comenzamos a calentar el agua, tomando las medidas con el termmetro patrn y anotando le voltaje producido por la termocupla, segn un incremento de cada 5C.

VI. RESULTADOS:

A continuacin una tabla donde comparamos la temperatura leda con el termmetro de vidrio y con la temperatura obtenida de tablas.

Temperatura ambiente = 19C; voltaje para Temp. Amb. = 0.758 mv

Temperatura Medida con el termmetro de vidrio en C

Voltaje medido (VM) en mili voltios (mv)

Voltaje de la temperatura de ambiente(VTA) en (mv)

Voltaje real en mili voltios (mv) VM +VTM

Temperatura de la termocupla ( de tablas) en C

25

0.0

0.758

0.758

19.0

30

0.1

0.758

0.858

21.5

35

0.4

0.758

1.158

28.9

40

0.6

0.758

1.358

33.8

45

0.8

0.758

1.558

38.8

50

1.0

0.758

1.758

43.6

55

1.3

0.758

2.058

50.9

60

1.5

0.758

2.258

55.7

65

1.7

0.758

2.458

60.5

70

1.9

0.758

2.658

65.3

75

2.1

0.758

2.858

70.2

80

2.3

0.758

3.058

75.0

85

2.5

0.758

3.258

79.8

90

2.7

0.758

3.458

84.6

92

2.9

0.758

3.658

90.4

VII. CONCLUSIONES:

Al principio las temperaturas varan mucho, esto pudo ser producido por la termocupla, tambin se observ que al conectar la termocupla con el voltmetro se genera una termocupla parasita, por eso se trabaj con la temperatura ambiente.

Pudimos comprobar el funcionamiento de una termocupla tipo K y as afianzar nuestros conocimientos.

La grafica tiende a ser lineal y gracias a la regresin lineal podemos predecir la temperatura para otros voltajes.

VIII. CUESTIONARIO:

En promedio cuanto es el error entre la lectura indicada por el termmetro y el obtenido por la termocupla? A que puede deberse este resultado?

Valor real = 59.8

Valor obtenido = 54.5

El error obtenido es de 8.86%

Graficar las caractersticas de voltaje de termocupla vs temperatura

Qu observaciones tiene con respecto al comportamiento de la termocupla usada?

Al principio las temperaturas varan mucho, esto pudo ser producido por la termocupla, tambin se observ que al conectar la termocupla con el voltmetro se genera una termocupla parasita.

Menciona algunas aplicaciones de usos de las termocuplas

Mediciones de 0 a 700 C

Industria del plstico y goma (extrusin e inyeccin)

Medicin en tambores rotatorios con termocupla de contacto.

Temperatura de motores (carcasa) con termocupla autoadhesiva.

Procesos en general donde el sensor est sometido a vibracin.

Fundicin de metales hasta 1300C (no ferrosos)

Hornos en general

Usar cuando hay que poner las termocuplas en vainas muy delgadas

Por ejemplo en agujas de una jeringa para tomar temperatura en el interior de una fruta.

Mencione algunas aplicaciones de los RTD tipo Pt-100

Por otra parte los Pt100 siendo levemente ms costosos y mecnicamente no tan rgidas como las termocuplas, las superan especialmente en aplicaciones de bajas temperaturas. (-100 a 200 ).

Los Pt100 pueden fcilmente entregar precisiones de una dcima de grado con la ventaja que la Pt100 no se descompone gradualmente entregando lecturas errneas, si no que normalmente se abre con lo cual el dispositivo medidor detecta inmediatamente la falla del sensor y da aviso.

Adems la Pt100 puede ser colocada a cierta distancia del medidor sin mayor problema (hasta unos 30 metros) utilizando cable de cobre convencional para hacer la extensin.

Medicin de -100 a 200 C con muy buena precisin y estabilidad

Industria de alimentos en general (envasado, pasteurizado, coccin, conservacin, etc.)

Circuitos de lquidos. (aguas de enfriamiento, aceites, etc.)

Industria qumica (temperatura de reactivos)

Cmaras de secado (textiles, alimentos, papel, etc.)

A qu temperatura hierve el agua en Arequipa? Por qu no hierve a 100C?

En Arequipa el agua hierve a 92C. Esto debido a que Arequipa se encuentra a 2328 msnm, esta diferencia de altura hace que la presin sea menor, debido a que el agua comienza a hervir cuando las burbujas superan la fuerza que la atmosfera ejerce sobre ellas, a esta altura la fuerza que ejerce la columna de aire sobre el agua es menor y por tanto se necesita calentar menos el agua.