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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
IJF/IJF.
INGENIERIA DE EJECUCIÓN EN MECANICA
PLAN 2002
GUIA DE LABORATORIO
ASIGNATURA
15062 TERMODINAMICA
NIVEL 05
EXPERIENCIA E- 93
“MEDICIONES BÁSICAS”
HORARIO:
MARTES: 9-10-11-12
MARTES: 13-14-15-16
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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
HMR/hmr.
TITULO:
1.
MEDICIONES BÁSICAS.
OBJETIVO GENERAL
Capacitar al alumno para que reconozca, identifique y utilice los diferentes
principios y tecnologías existentes en las mediciones de temperatura, presión
y flujo.
2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
a)
El alumno será capaz de identificar los principios característicos de la
medición de temperatura, presión y flujos y además de los aspectos
operacionales de la medición. Adicionalmente reconocerá los circuitos de
acondicionamiento de señales en la automatización de las mediciones
básicas.
b)
A partir de lo anterior, el alumno construirá y calibrará termopares, calibrará
algunos instrumentos de presión y determinará flujo de algunos gases o
líquidos.
c)
En cada medición de temperatura, presión y determinación de flujos, el
alumno asociará e identificará las diferentes incertezas de medición
generadas a través de la medición en referidas propiedades y características
de flujos.
2
3.
BREVE INTRODUCCIÓN TEÓRICA
3.1
TEMPERATURA.
Los diferentes sistemas de medición de temperatura se pueden clasificar
según el principio de operación que utilicen. En particular, una clasificación general
permite establecer:
Bi-metálico.
Líquido en vidrio.
Expansión
Líquido en metal.
Lleno de gas.
De presión
TERMOMETROS
Lleno de vapor.
De resistencia.
Eléctricos
Termocuplas.
Radiación
Pirómetros ópticos.
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Las características de cada tipo en particular se pueden visualizar en la tabla
siguiente.
Tipo
de Principio
termómetro
Expansión
Un sólido, líquido o gas
se expande cuando son
calentados
De presión
El
aumento
de
temperatura causa un
incremento de presión en
el gas o vapor
Eléctricos
a)
Un
cambio
de
temperatura produce un
cambio de la fuerza
electromotriz (f.e.m)
Radiación
tipos
Características
Líquido en vidrio
Líquido en metal
Bi-metálicos
Llenos de gas
Llenos de vapor
-200 a 500ºC
0 a 600ºC
0 a 400ºC
-20 a 350ºC
idem(con
longitudes hasta
60mt)
(según
características)
Termocuplas
b) La resistencia cambia Termistores
en
función
de
la
temperatura
Respuesta
rápida -70ºC a
130ºC
y Termo resistores
La energía radiada del Pirometros
cuerpo
de
alta
temperatura en un amplio
espectro es captada por
un fototransistor
-200 a 962ºC
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TERMOPARES.
Un termopar utiliza el principio denominado efecto "Seebeck" (1812) en la que un
circuito constituido por dos materiales diferentes X e Y es recorrido por una
corriente eléctrica "i" desde que los contactos o junciones p y q entre dos materiales
estén a temperaturas diferentes T1 y T2 (figura 1).A pesar que en la realidad
ocurren adicionalmente otros tres efectos, esto es el efecto Thomson, Peltier y
Joule, el efecto Seebeck es predominante desde que se desprecia el efecto joule.
i
P1
x
x
E
x
y
T1
x
y
<
p
P2
q
<
p
T1
T2
q
T2
En 1821 T.J. Seebeck descubrió el fenómeno de la termoelectricidad mencionado
anteriormente con materiales de antimonio y cobre. En él, se observa que desde
que la diferencia de temperatura T1 y T2 permanece constante la corriente también
permanecerá constante y la f.e.m asociada a esta corriente se denomina fuerza
electromotriz(E) de Seebeck la que se utiliza para medir temperaturas.
En 1834 Jean C.A. Peltier, estableció que cuando una corriente fluye a través de
una junción de dos metales, esta absorbe o libera calor donde el sentido de la
corriente determina si el calor es liberado o absorbido (efecto reversible). Peltier y
otros observaron que para una corriente dada, la tasa de absorción o liberación de
calor en las juntas depende de la potencia termoeléctrica dE/dT de los dos metales
y es independiente de la forma y de las dimensiones de los metales en la juntas.
Debe observarse que el efecto Peltier no debe ser confundido con el efecto de
calentamiento de Joule que, siendo proporcional a la resistencia eléctrica del
circuito y al cuadrado de la corriente, depende de las dimensiones de los
conductores y no necesita de metales diferentes el que además es un fenómeno
irreversible.
En 1851, W. Thomson, sobre la base de argumentos termodinámicos y a partir del
conocimiento de las características de los termopares concluye que la absorción de
calor (Peltier) en las juntas de dos metales diferentes no era el único efecto térmico
que ocurre en el circuito termoeléctrico. De esta forma, concluye posteriormente,
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que los efectos de Peltier no eran los únicos efectos reversibles que existen en un
circuito termoeléctrico.
De lo anterior, puede plantearse el teorema fundamental de la termoelectricidad que
establece que el efecto Peltier es la suma algebraica del efecto Peltier y Thomson.
TIPOS DE TERMOPARES.
La figura 2 presenta las respectivas características de respuesta de los termopares
comúnmente utilizados.
mV
50
A
A
B
C
D
E
F
B
40
D
30
20
Cromel - Constantá
Ferro - Constantá
Cobre - Constantá
Cromel - Alumel
Pt 13% Rh - Pt
Pt 10% Rh - Pt
E
C
F
10
0
0
500
1000
1500
ºC
Figura 2: Comparación entre la f.e.m. relativa a los diversos
termopares.
A pesar del amplio espectro de posibilidades, solamente
metales/aleaciones son utilizados debido a los siguientes factores:
algunos
- La relación fuerza electromotriz térmica versus temperatura debe ser poseer
buena linealidad y elevada sensibilidad.
- Tener aplicabilidad en amplio rango de temperaturas.
- Ser resistente a la oxidación y corrosión.
La clasificación internacional realizada por la "Instrument Society of America-ISA"
permite identificar los siguientes tipos especificados en la tabla 2.
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Tabla 2: Clasificación general de componentes y dimensiones de termopares.
RANGOS DE UTILIZACIÓN
ALEACIONES
GRADOS (ºC)
BÁSICAS
TIPO (ISA)
T
J
K
E
S
R
B
Cobre/Constantan
Fierro/Constantan
Cromel/Alumen
Cromel/Constantan
Platina/Platina Rodio 10%
Platina/Platina Rodio 13%
Pt 30% Rh 70% / Pt 6% Rh 94%
-200 a 400
-200 a 760
-200 a 1260
0 a 980
0 a 1540
0 a 1590
40 a 1800
fem (mV)
-5.284 a 20.805
-7.52 a 50.05
-5.51 a 51.05
0 a 75.12
0 a 15.979
0 a 18.636
.007 a 13.499
PRESION
Los instrumentos capacitados para medir la presión pueden ser mencionados
conforme a las siguientes técnicas de medición:
TIPO
Manómetro
DESCRIPCION
Este nombre es dado a un tipo
de medidor de presión, el cual
usa un líquido como medio de
medición de la presión.
MODELOS
Tubo simple en U.
De simple columna.
Inclinados.
Medidor de
Desplazamiento
Mecánico
A pesar que estos instrumentos
contienen un líquido no se denominan manómetros porque el líquido
actúa como un sello solamente y
no es considerado en la ecuación
de balance.
Medidores de
Deformación elástica.
Todos los tipos de esta clase de
Medidores dependen exclusiva
mente de las propiedades de
elasticidad y deformación de sus
componentes.
Bourdon espiral.
Bourdon helicoidal.
De diafragma.
Transductores
Eléctricos.
Ante una variación mecánica
como señal de entrada (presión)
ocurre una variación proporcional
de la señal de salida eléctrica.
Tipo resistivo.
Tipo capacitivo.
De inductancia
Variable.
Tipo piezoeléctrico.
Strain gauges.
Celdas de carga.
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De anillo
equilibrado.
Campana invertida.
Doble campana.
Mc Leod.
FLUJO
Una clasificación de las tecnologías actualmente empleadas en la medición del flujo
puede encontrarse en la siguiente figura.
Tecnologías
Totalizadores
Volumétricos
Flujómetros
Másicos
No
lineales
Volumétricos
Lineales
Térmico
Coriolis
No
lineales
Indirectos
Desplazamiento
Positivo
Turbina
Lineales
Presión
Diferencial
Directos
Área
Variable
Vortex
Ultrasónico
Electromagn
etismo
Presión
Diferencial
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Figura 4: Clasificación de las tecnologías de medición de flujo.
En cuanto a la utilización de lo medidores de flujo industriales más conocidos. A
continuación se presenta un resumen de aplicación bajo los siguientes puntos de
vista:




Según flujo que miden
Condiciones de operación del fluido medido
Requerimientos de instalación
Requerimientos generales
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METODOLOGÍA DE TRABAJO
TEMPERATURA.
Identificación y análisis de los principios de operación de los instrumentos a utilizar.
Evaluación del tiempo de respuesta de diferentes tipos de termometros y calibración de estos.
Medición de temperatura en diversos sistemas.
Análisis de errores asociados a la medición de temperatura.
PRESION
Identificación y análisis de los principios de operación de los instrumentos a utilizar.
Medición de la presión en diversos sistemas.
Análisis de errores asociados a al medición de presión.
FLUJO
Identificación y análisis de los principios de operación de los instrumentos a utilizar.
Técnicas de montaje de los diferentes medidores de flujo para una adecuada medición.
Medición de flujo de gases y líquido.
Análisis de errores asociados a la medición de flujo.
TEMAS A EVALUAR
Teoría de errores asociadas a mediciones básicas.
Determinación de la temperatura en termopares a partir de la medición de la f.e.m.
Determinación de la presión en sistemas con fluidos, gases y mecánicos.
Medición de flujos en ductos.
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