E-4121/1

COORDINACION: PNF ELECTRICIDAD ESPECIALIDAD: INGENIERIA ELECTRICA

UNIDAD CURRICULAR:

TALLER DE INSTRUMENTACION

I

TRAYECTO:

IV UNID/CREDITO:

01

TRIMESTRE:

I

PRACTICA Nº 2

a.- LEVANTAR CURVA DE CALIBRACION DE LAS TERMOCUPLAS COMERCIALES TIPOS J, T O K.

b.- LEVANTAR CURVA DE CALIBRACION DE TERMORESISTENCIA (PT-100)

OBJETIVOS:

Al finalizar la práctica el alumno estará en capacidad de analizar, conocer y diferenciar las características de

los termopares comerciales.

Diferenciar las características de los termopares así como de establecer un procedimiento para la

verificación de la calibración de estos. Graficar y analizar la curva de los termómetros tipo termopar.

Al finalizar la práctica el alumno estará en capacidad de analizar, conocer y diferenciar las características de

las termorresitencias comerciales.

Graficar y analizar la curva del sensor de temperatura Tipo PT 100.

Diferenciar las características de las termorresistencia de platino así como de establecer un procedimiento

para la verificación de la calibración de termorresistencias.

Aplicación de la teoría de errores en el proceso de calibracion

MARCO TEORICO:

1. Termopares:

1.1.- Medición con termopares: Para la medida de la f.e.m. producida por un termopar se debe usar un voltímetro.

Este crea nuevas uniones como se observa en la siguiente figura.

La lectura del voltímetro será proporcional a la diferencia de temperatura entre J1, J2 y J3, debido a que aparte de la

unión termopar J3, también se presenta el voltaje Seebeck en las uniones J1 y J2.

1.1.1.- unión de referencia: Lo anteriormente expuesto, nos muestra que para medidas de precisión, se requiere la eliminación de la f.e.m. creadas

las uniones J1 y J2. Un método consiste en mantener estas uniones a la temperatura correspondiente al punto triple

de agua (Aproximadamente 0ºC) con el fin de eliminar la f.e.m. térmica en estas uniones. (Existen otros métodos,

que el alumno debe investigar).

2.- Selección de termopares:

La selección de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosión, a

la oxidación, a la reducción y a la cristalización, que se desarrollen una f.e.m relativamente alta, que sean

estables, de bajo costo y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre la temperatura y la f.e.m sea tal

que el aumento de ésta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura.

Señalemos que termopar tipo K, de cromel-constantán puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o mediante

oxidante o reductora. Este termopar posee f.e.m mas alta por variación de temperatura, y puede usarse para las

temperaturas de –200 a + 900ºC.

El termopar tipo T, de cobre-constantán, tiene una elevada resistencia a la corrosión atmosférica o condensación y

puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Se prefiere generalmente para las medidas de

MINISTERIO DE PODER POPULAR PARA

EDUCACION UNIVERSITARIA

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA

AGRO INDUSTRIAL

SAN CRISTOBAL ESTADO TACHIRA

Termopar V

J1

J2

J3

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temperaturas entre –200 a + 600ºC.

El termopar tipo J, de hierro-constantán, es adecuado en atmósferas con escaso oxigeno libre. La oxidación del hilo

de hierro aumenta rápidamente por encima de 500ºC, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una

temperatura limite de 750ºC.

Los termopares R, S y B de Pt-Pt/Rh se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo hasta 1500ºC. Si

la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse con un tubo cerámico estanco.

Cuando el termopar está instalado a una distancia larga del instrumento, no se conecta directamente al mismo, sino por

medio de cable de extensión, los cables de extensión son conductores con propiedades eléctricas similares a las del

termopar hasta ciertos límites de temperatura (0-200ºC) y son más económicos.

3.- Termómetros sensibles a la resistencia.

La medida de temperatura utilizando sondas resistivas depende de las características de la resistencia en función de

la temperatura que son propias del elemento de detección.

El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo del conductor adecuado bobinado entre capas de

material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica.

El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia" que

expresa a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por grado que

cambia su temperatura.

3.1.- Termómetros de resistencia metálicas.

Estos dispositivos aprovechan la variación de resistencia de algunos materiales, por efecto de la temperatura.

Entre los elementos más utilizados tenemos el níquel y el platino. Las termorresistencia normalmente utilizada es la de

platino Pt100 (100 ohm a 0 ºC) industriales y se consiguen encapsuladas en la misma forma que las termocuplas, es

decir dentro de un tubo de acero inoxidable y otro material (vaina), en un extremo esta el elemento sensible.

(Alambre de platino) y en el otro esta el terminal eléctrico de los cables protegido dentro de una caja redonda de

aluminio (cabezal).

4.- Conexión de la Pt-100

Existen 3 modos de conexión para las Pt100, cada uno de ellos requiere un instrumento lector distinto. El objetivo es

determinar exactamente la resistencia eléctrica R(t) del elemento sensor de platino sin que influya en la lectura la

resistencia de los cables Rc

El modo más sencillo de conexión (pero menos recomendado) es, con solo dos cables (Fig. nº 1). En este caso las

resistencias de los cables Rc1 y Rc2 que unen la Pt100 al instrumento se suman generando un error inevitable.

El lector medirá el total R(t)+Rc1+Rc2 en vez de R(t). Lo único que se puede hacer es usar cable lo más grueso posible

para disminuir la resistencia de Rc1 y Rc2 y así disminuir el error en la lectura. Por ejemplo si la temperatura es

90°C, entonces R(t) = 134.7 Homs, pero si el cable Rc1 tiene 1.3 Homs y el Rc2 tiene 1.2 Homs entonces la

resistencia medida será 134.7+1.3+1.2 = 137.2 Homs y la lectura del instrumento será 96 °C.

FIGURA N° 1

Conexión con 2 hilos.

El modo de conexión de 3 hilos ( Fig. nº 2 )es él más común y resuelve bastante bien el problema de error generado por

los cables. El único requisito es que los tres cables tengan la misma resistencia eléctrica pues el sistema de medición

se basa (casi siempre) en el "Puente de Wheatstone". Por supuesto el lector de temperatura debe ser para este tipo de

conexión.

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FIGURA N° 2

Conexión con 3 hilos

El método de 4 hilos ( Fig. nº 3 ) es él más preciso de todos, los 4 cables pueden ser distintos (distinta resistencia) pero

el instrumento lector es más costoso. Por los cables 1 y 4 se hace circular una corriente I conocida a través de R(t)

provocando una diferencia de potencial V en los extremos de R(t).Los cables 2 y 4 estén conectados a la entrada de

un voltímetro de alta impedancia luego por estos cables no circula corriente y por lo tanto la caída de potencial en los

cables Rc2 y Rc3 será cero (dV=Ic*Rc=0*Rc=0) y el voltímetro medirá exactamente el voltaje V en los extremos del

elemento R(t). Finalmente el instrumento obtiene R(t) al dividir V medido entre la corriente I conocida.

FIGURA N° 3

Conexión con 4 hilos

Cualquiera que sea el método de conexión, se debe hacer pasar una cierta corriente I por el elemento sensor de modo de

poder medir su resistencia. Esta corriente I llamada "corriente de excitación" la suministra el instrumento lector y es del

orden de 0.1 mA a 2 mA dependiendo del modelo y marca del equipo. Un problema que puede ocurrir es que la

"corriente de excitación" genere por efecto Joule (P=I*I*R) un calentamiento del elemento sensor aumentando su

temperatura y produciendo así un error en la lectura.

PRE LABORATORIO TERMOPARES 2A:

1. Realice un diagrama conceptual aplicada a sensores de temperatura

2. Defina termopar y su principio de funcionamiento

3. A través de una tabla , indique las características de los distintos tipos de termopares comerciales:

Tipo

termopar

comercial

Material o

elementos

Temperatura

máxima

permitida

Temperatura

mínima

recomendada

Color de la

extensión o

Del recubrimiento

del alambre

Positivo Negativo

Usos

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3. En qué consiste el método de los mínimos cuadrados y que ecuaciones lo definen

4. Analice y explique la leyes que rigen el comportamiento de los termopares

5. Cual es la función de termopar de compensación.

6. Defina controlador, indicador, sensor, transductor,

7. Defina: set point o punto de ajuste, limite inferior, limite superior, histéresis, repetibilidad, linealidad, vida útil,

estabilidad, deriva.

8. Repase teoría de errores.

9. Defina temperatura y calor

10. Cuales son las unidades de temperatura y la relación entre ellas.

11. Traer tablas de valores estándar de los distintos tipos de termopar (TIPOS J, T y K).

12. Realizar una tabla, con el encabezado mostrado en la figura, de 4 columnas por 60 filas , en la cual la primera

columna tiene incrementos en 10ºC

13. Defina calibración y afericion. Establezca diferencias entre estas.

14. Buscar tablas del fabricante para los termopares y termorresistencia en estudio.

Termopar Asignado:____________________ .

Temperatura

ºC

Lectura del milivoltìmetro en

Sistema compensado A

mV

Lectura del milivoltìmetro en

Sistema compensado B

mV

Valores según tabla

estándar

20

....hasta....

580

LABORATORIO 2-A

PROCEDIMIENTO:

1. Coloque un termómetro de vidrio a temperatura ambiente.

2. Coloque la de tensión de la fuente a la temperatura equivalente

3. Active los mili voltímetros o tester digital

Parte a:

Introduzca los termopares entregados por el profesor ( TIPO T, J, o K ) en el horno Hobersal ( Observe que los

termopares estén en contacto al tubo de cerámica del horno )

Conecte los Termopares asignados y el milivoltímetro según la figura 2.1 y 2.2 representado a continuación.

Tómese la lectura en el termómetro de vidrio .

Active el horno Hobersal sólo una vez que se haya tomado la lectura en el milivoltímetro a temperatura ambiente.

Ajuste el valor deseado del controlador FUJI PX V4 del horno Hobersal a 700°C o 400 ºC, según el caso, el cual se

realiza de la siguiente manera:

PV = Temperatura interior del horno.

SV = Temperatura de consigna.

Pulsar el interruptor luminoso en la posición ON, iluminándose al instante el programador.

Apretar la tecla SEL.

Se enciende el piloto verde de SV.

Con las teclas de subir y bajar poner la temperatura deseada 800°C.

Apretar la tecla SEL. Se enciende el piloto rojo de PV.

Tome nota de la lectura del milivoltímetro para cada punto de temperatura indicada en la tabla N° 2, 3 o 4 según el caso

Recuerde que el rango máximo de temperatura que puede resistir la termocupla tipo J o K es de 700ºC y para una

termocupla comercial tipo T cuya rango máximo de funcionamiento es de 400°C. Por lo cual se deberá retirar del horno

Hobersal cuando el controlador indique está temperatura.

Utilizando el método de linealizaciòn aplicando mínimos cuadrados, obtenga las ecuación correspondiente

Graficar Milivoltios Vs. Temperatura para valores reales ( tabla del termopar asignado) , los obtenidos y la recta

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obtenida en la aplicación de mínimos cuadrados .

Nota: Se debe tener en cuenta no sobrepasar el rango máximo de funcionamiento de cada una de las termocuplas

comerciales ya que podrían dañarse.

CABLE ___-___ CABLE ___- ___

+ -

FIGURA N° 2.1

Sensor termopar con fuente de poder en mV

+ -

FIGURA N° 2.2

Sensor termopar compensado

A

TERMOPAR COMERCIAL

HORNO

HOBERSAL

B T1

mV

HORNO

HOBERSAL A

T1

CABLES __-__

A

B T2

mV

B

TERMOPAR COMERCIAL

ASIGNADO

CABLE __-__

TERMOPAR COMERCIAL

ASIGNADO

A- X2-B

RECIPIENTE CON HIELO

Fuente de

tensión en

mV

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PRACTICA N° 2-B

COMPROBAR EL FUNCIONAMIENTO DE LAS TERMORESISTENCIAS (PT-100) A TRAVÉS DE SUS

CURVAS CARACTERÍSTICAS EN EL HORNO HOBERSAL

PRE LABORATORIO 2-B:

1. Defina termorresitencia metálicas o conductora y su principio de funcionamiento y características

2. A través de una tabla , indique las características de los distintos tipos de termorresitencia conductoras

comerciales:

Tipo

termorresistencia

comercial

Material Temperatura

máxima permitida

Temperatura

mínima

recomendada

Usos

3. Que es el puente de Wheatstone y como funciona.

4. Cuales son los usos que tiene el puente de Wheatstone dentro de un sistema de control.

5. Defina : Resistibilidad, conductividad, Coeficiente de temperatura o de la resistibilidad, precisión, RTD,

termistor y varistor.

6. Elabore una tabla como se bosqueja a continuación de 3 columnas por 70 filas. En la primera columna coloque

incrementos de temperatura de 10ºC

Temperatura

Medida

ºC

Lectura del

ohmetro

Ω

Lectura según

Valor real

Ω

0

10

...

Hasta 690

7. Traer tablas de valores estándar o reales de la termorresistecia tipo PT100.

LABORATORIO 2-B

MATERIALES Y EQUIPOS A UTILIZAR:

Horno calefactor de tubo:

Marca: Hobersal

Modelo: ST – 11.

Tensión: 110v – 60Hz.

Compuesto por:

- Termocupla tipo K.

- Tubo de cerámica (60 cm aprox.)

- Controlador Fuji Px – V4.

Tester digital.

HERRAMIENTAS UTILIZADAS

Termorresistencia tipo PT100.

Cable unifilar N° 14.

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EQUIPOS Y MATERIALES REQUERIDOS:(Que el alumno debe traer por grupo)

Dos (2) tester digital

Un envase con hielo en cubitos

Juego de cables , con banana y caimán ( seis pares)

Trapo para limpiar

PROCEDIMIENTO:

I. Active el tester digital colocándolo en la posición de OHM.

II. Introduzca la termorresistencia (PT-100) en el horno Hobersal .

III. Conecte la termorresistencia y el tester digital según el diagrama representado a continuación midiendo la

resistencia para cada punto de temperatura que se presenta en la tabla. (Utilice cable unifilar).

IV. Active el horno Hobersal sólo una vez que se haya tomado la lectura en el tester digital a temperatura ambiente

la cual se realizara a través de un puente de wheatstone.

V. Ajuste el valor deseado del controlador FUJI PX V4 del horno Hobersal a 500°C el cual se realiza de la

siguiente manera:

PV = Temperatura interior del horno.

SV = Temperatura de consigna.

Pulsar el interruptor luminoso en la posición ON, iluminándose al instante el programador.

Apretar la tecla SEL.

Se enciende el piloto verde de SV.

Con las teclas de subir y bajar poner la temperatura deseada 500°C.

Apretar la tecla SEL. Se enciende el piloto rojo de PV.

Recuerde que el rango máximo de temperatura que puede resistir la termorresistencia (PT-100) es de 500°C por lo

cual se deberá retirar del horno Hobersal cuando el controlador indique está temperatura.

Utilizando el método de linealizaciòn aplicando mínimos cuadrados, obtenga las ecuación correspondiente

Llenar la tabla a continuación. Graficar resistencia Vs. Temperatura para valores reales (tabla del PT 100), los

obtenidos y la recta obtenida en la aplicación de mínimos cuadrados.

FIGURA N° 3.

POST LABORATORIO

1. Analice los resultados. Aplicando los concepto de teoría de errores, de calibración y las leyes que rigen el

comportamiento de los termopares

+

-

OHM

HORNO HOBERSAL

TERMORESISTENCIA

(PT-100)

TESTER

DIGITAL

CABLE UNIFILAR

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BIBLIOGRAFÍA

- Creus, Antonio. Instrumentación Industrial. Ediciones MARCOMBO

- Cárdenas, Oscar. Transductores Industriales. Universidad de los Andes

- Diefenderfer, James. Instrumentación Electrónica

- Maloney, Timothy. Electrónica Industrial Moderna

- Couper, Willian. Instrumentación Industrial Moderna

PROFESOR(ES) DE LA UNIDAD CURRICULAR:

- Ing. Sonia Mora

- Ing. Iván Guerra

- Ing. Gerardo Villamizar

- T.S.U. Zelin Bustos

VIGENCIA:

Junio 2.011-1