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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO MEDICION DE TEMPERATURA

ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE MECANICA

ESCUELA INGENIERIA INDUSTRIAL INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL TEMA:

MEDICIONES DE TEMPERATURA INTEGRANTES: -

Tatiana Jackeline Ortiz González

-

José Luis Prado Salazar

DOCENTE: ING. MARCO HARO.

RIOBAMBA – ECUADOR

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MEDICIONES DE TEMPERATURA INTRODUCCION La temperatura de los cuerpos es un concepto que el hombre primitivo captó a través de sus sentidos. Si tocamos dos piedras iguales, una a la sombra y otra calentada por el sol las encontramos diferentes. Tienen algo distinto que detecta nuestro tacto, la temperatura. La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un material o fluido que toma como referencia un valor patrón determinado por el hombre, que lo comprende la comparación entre los estados de la materias. DEFINICION: La temperatura es una medida de la energía total promedio que tiene cada partícula del objeto de estudio. La temperatura mide el nivel término de un cuerpo, mientras el calor mide la cantidad de energía entregada o ganada por ese cuerpo. ESCALAS DE TEMPERATURA Anders Celsius, se baso en las propiedades del agua para desarrollar luna escala de temperatura conocida como Celsius; las propiedades que utilizo fueron el punto de congelación del agua, al cual asigno 0°C y al de ebullición 100°C. La escala de temperatura que se basa en el cero absoluto se conoce como Kelvin, en esta escala el punto cero 0K es el cero absoluto, el punto de congelación del agua 0°C es 273K y el punto de ebullición el agua 100°C es 373K. Existe otra escala de temperatura la uso Daniel Fahrenheit y a quien debe su nombre el mismo que utilizó el mercurio para medir la temperatura y señalo el punto de fusión del agua a 32°F y el punto de ebullición 212°F Existen 2 escalas de temperatura o 2 formas de expresar el estado relativo de la materia, estas son: -

Escalas absolutas: Expresan la temperatura de tal forma que su valor de cero, es equivalente al estado ideal de las moléculas de materia en estado estático o con energía cinética nula Escalas relativas: Son aquellas que se refieren a valores preestablecidos o patrones en base los cuales fue establecida una escala de uso común.

TIPO DE ESCALA/ SISTEMA ABSOLUTA RELATIVA

METRICO DECIMAL Kelvin Celsius

INGLES Rankine Fahrenheit

A continuación se muestra la relación entre las escalas de temperatura y sus equivalencias.

TIPOS DE INSTRUMENTOS PARA MEDICION DE TEMPERATURA Existen diversos tipos de instrumentos los más usados son básicamente los siguientes: -

Termómetros de Dilatación Termopares Termoresistencias (RTD) Pirómetro de Radiación Sistemas Térmicos de Relleno

TERMOMETROS DE DILATACIÓN: La dilatación térmica corresponde al efecto de que las sustancias se "agrandan" al aumentar la temperatura. En objetos sólidos, la dilatación térmica produce un cambio en las dimensiones lineales de un cuerpo, mientras que en el caso de líquidos y gases, que no tienen forma permanente, la dilatación térmica se manifiesta en un cambio en su volumen. TIPOS DE DILATACIÓN: •

Dilación Lineal

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• •

Dilatación volumétrica Dilatación superficial: La dilatación superficial se refiere a la variación de superficie que experimentan: planchas metálicas, baldosas, vidrios de ventanas, discos, etc.

TERMÓMETRO DE VIDRIO •

Este tipo de instrumento, es el más conocido por nosotros; funciona por la dilatación de un líquido alojado en un bulbo , que se visualiza en un capilar cuyo pequeño diámetro permite apreciar grandes variaciones de la longitud del fluido dilatado para un determinado volumen. • Dependiendo del fluido usado, tendremos diferentes rangos de temperatura para este tipo de instrumento, los cuales, vendrán limitados, por los puntos de solidificación y de ebullición. Algunos de estos son: - Mercurio -35 a 280°C - Mercurio (tubo de gas) -35 a 450°C - Pentano -200 a 20°C - Alcohol -110 a 50°C - Tolueno -70 a 100°C Estos son frágiles, requieren de una posición específica para funcionar, además de tener un rango muy limitado de la variable

TERMÓMETRO BIMETÁLICOS Se basa en la diferencia de dilatación de los metales tales como: Aluminio Bronce, Cobre , Latón , Níquel , Níquel Cromo , Monel , Acero , Aleación Hierro – Níquel(36%) llamada Invar , Porcelana , Cuarzo. El aluminio tiene el mayor coeficiente de dilatación de los mencionados. El termómetro bimetálico consta, de dos barras metálicas de diferentes metales unidas rígidamente al ser estos dos materiales diferentes, tendrán necesariamente, que tener coeficientes de dilatación lineal

Si dos materiales con diferentes coeficientes de dilatación lineales se colocan juntos, a medida que se producen cambios de temperatura, sus índices de expansión serán diferentes, esto hará que el conjunto se doble en un arco. Mediante este método funcionan la mayoría de termostatos Se obtienen exactitudes del orden del 1% de la medición.

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TERMÓPARES 3 INDUSTRIAL

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Los termopares o llamados termocuplas son el sensor de temperatura más ampliamente usado en la industria. Este es un transductor de temperatura, es decir, un dispositivo que traduce una magnitud física en una señal eléctrica. Constituida por dos alambres de metales diferentes, los que unidos convenientemente generan entre sus extremos libres una diferencia de potencial proporcional a la diferencia de temperatura entre ellos. Su funcionamiento, se basa en un descubrimiento hecho por Seebeck en 1821: si se sueldan dos metales diferentes, cuyos extremos están a distintas temperaturas, aparece una f.e.m. (llamada f.e.m Seebeck) Posteriormente, se mostró que esta f.e.m proviene en realidad de dos efectos diferentes: Uno resultante sólo del contacto entre dos metales disímiles y la temperatura de dicha unión Este es el llamado “Efecto Peltier” y es debido a la difusión de electrones desde el conductor con mayor densidad electrónica al de menor densidad. Otro, debido a los gradientes de temperatura a lo largo de los conductores los electrones, induciendo entonces una f.e.m. entre los extremos de los mismos, en el circuito. Este es el llamado “Efecto Thompson” y es debido al flujo de calor entre los extremos de los conductores. PARTES DE LAS TERMOCUPLAS

JUNTA CALIENTE O JUNTA DE MEDICION: Es la parte del instrumento que está en contacto con el medio del cual se quiere obtener la temperatura. JUNTA FRIA O DE REFERENCIA: Es la parte del instrumento donde se realiza la medida y que generalmente se mantiene a una temperatura relativamente constante, en la mayoría de casos a la temperatura ambiente. CABLES DE EXTENSION: Son los conductores que unen la junta caliente con la junta fría. A cada tipo de termopar le corresponde cables de extensión específicos, de lo contrario se alteraría el valor de la medida por la presencia de un tercer termopar según lo analizamos más adelante en la ley de los metales intermedios.

Hay siete tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras elaboradas por el Instrument Society of America (ISA). Tipo B ( PtRh 30% - PtRh 6%) Las ventajas de la termocupla Tipo B es su capacidad para medir temperaturas levemente más altas, su mayor estabilidad y resistencia mecánica, y su aptitud de ser utilizada sin compensación de junta de referencia para fluctuaciones normales de la temperatura ambiente. Las termocuplas Tipo B resultan satisfactorias para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1.700º C. También resultan satisfactorias durante cortos períodos de tiempo en vacío.

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Las desventajas de la termocupla Tipo B son su baja tensión de salida y su incapacidad para ser utilizada en atmósferas reductoras (como ser hidrógeno o monóxido de carbono) y cuando se encuentran presentes vapores metálicos (eso es, de plomo o zinc ) o no metálicos (eso es, de arsénico, fósforo o azufre). Tipo R (PtRh 13% - Pt ) Las termocuplas Tipo R pueden ser utilizadas en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.400º C. No son tan estables como las Tipo B en vacío. La ventaja de la termocupla Tipo R sobre la Tipo B es su mayor fem de salida. Se aplican las siguientes limitaciones al uso de las termocuplas Tipo R: • Nunca se las deben usar en atmósferas reductoras, ni tampoco en aquellas que contienen vapores metálicos o no metálicos u óxidos fácilmente reducidos, a menos que se las protejan adecuadamente con tubos protectores no metálicos. Tipo S (PtRh 10 % - Pt ) La termocupla Tipo S es la termocupla original platino-rodio. Es el estándar internacional para la determinación de temperaturas entre el punto de solidificación del antimonio 630,74º C y el punto de solidificación del oro 1.064,43º C. Tipo J (Fe - CuNi ) En la termocupla Tipo J el hierro es el conductor positivo, mientras que para el conductor negativo se recurre a una aleación de 55 % de cobre y 45 % de níquel (constantán). Las termocuplas Tipo J resultan satisfactorias para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760º C. Por encima de 540º C, el alambre de hierro se oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental de la termocupla Tipo J es su bajo costo. Las siguientes limitaciones se aplican al uso de las termocuplas Tipo J: • No se deben usar en atmósferas sulfurosas por encima de 540º C. • A causa de la oxidación y fragilidad potencial , no se las recomienda para temperaturas inferiores a 0º C . • No deben someterse a ciclos por encima de 760º C , aún durante cortos períodos de tiempo, si en algún momento posterior llegaran a necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperatura. Tipo E ( NiCr - CuNi ) • La termocupla Tipo E, posee la mayor fem de salida de todas las termocuplas estándar .Para un diámetro de 3,25 mm su alcance recomendado es - 200º C a 980º C. • Estas termocuplas se desempeñan satisfactoriamente en atmósferas oxidantes e inertes, y resultan particularmente adecuadas para uso en atmósferas húmedas a temperaturas subcero a raíz de su elevada fem de salida y su buena resistencia a la corrosión.

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TERMORRESISTENCIAS (RTD)

La Termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura. Las termorresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad. Se basa en el efecto Joule-Thompson. Los materiales más usados son el níquel, el platino, el cobre, el plomo y algunos semiconductores.

PT100". La precisión de estos instrumentos puede llegar a la centésima de grado centígrado

La relación fundamental para el funcionamiento es: Rt = Ro * (1 + a * t) • Ro: resistencia en ohmios a 0 grados Celsius • Rt: resistencia en ohmios a t grados Celsius • Alpha: coeficiente de temperatura de la resistencia. RANGO DE OPERACIÓN Y PRECISIÓN ELEMENTO Platino Níquel Cobre Wolframio

RANGO DE OPERACIÓN (°C) -200 a 950 -150 a 300 -200 a 120 por encima de 1000ºC

PRECISIÓN (grados) 0.01 0.50 0.10 -

VENTAJAS RTD  Alta precisión  Mejor Linealidad  Mejor Estabilidad  No requiere compensación por junta fría  Los hilos no requieren especial extensión 6 INDUSTRIAL

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DESVENTAJAS RTD  Él limite de temperatura máxima es él mas bajo  El tiempo de respuesta sin el termopozo es bajo  El tiempo de respuesta es esencialmente equivalente cuando cualquier tipo de sensor es montado sin el termopozo

PIROMETROS DE RADIACIÓN: INTRODUCCION Los pirómetros de radiación son instrumentos utilizados para medir, por medios eléctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de los tipos anteriores. Las medidas pirométricas, exactas y cómodas, se amplían cada vez más, incluso para temperaturas relativamente bajas (del orden de 800 °C). Los pirómetros de radiación se emplean para medir temperaturas mayores de 550°C hasta un poco más de 1600°C captando toda o gran parte de la radiación emitida por el cuerpo a analizar Se basa en el calor o la radiación visible emitida por objetos

PRINCIPIO Y FUNCIONAMIENTO

Este tipo de pirómetros se fundamenta en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir, W = KT4, donde W (potencia emitida)= Flujo radiante por unidad de área. K =Constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W / m2 K4). T =Temperatura en Kelvin La parte esencial del dispositivo consiste en una especie de lente que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de pequeñas dimensiones y montadas en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa los hace muy sensibles a pequeñas variaciones de energías radiantes y además muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida para comportarse como un cuerpo negro, aumentando así sus propiedades de absorción de energía y propiciando la fuerza electromotriz máxima. La f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura del ambiente. La compensación de esta se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocada en su interior de modo que su temperatura es siempre igual a la del cuerpo de éste. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la bobina de níquel, lo que compensa la pérdida de f.e.m. de la termopila que acompaña el calentamiento del cuerpo del instrumento. Esta compensación se utiliza en temperaturas ambientes mínimas a 120°C, a mayor temperatura se emplean dispositivos de refrigeración. El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo. El espejo cóncavo es a veces preferido como medidor para enfocar por dos razones: 7 INDUSTRIAL

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 

La imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, la imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberración cromática, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda. Las lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una parte considerable de la radiación de largas longitudes de onda. La radiación reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en él incide.

TIPOS DE LENTE: -

LENTES DE PIREX LENTES DE SÍLICE LENTES DE FLOURURO DE CALCIO

COEFICIENTES DE EMISIVIDAD La comprensión de la emisividad de un objeto, o su característica de "resplandor" o "brillo" es un componente crítico en el manejo apropiado de medición infrarroja. Concisamente, la emisividad es la relación de radiación emitida por una superficie o cuerpo negro TABLAS DE EMISIVIDAD Aluminio oxidado 0.2 - 0.31 Aluminio altamente pulido 0.039 - 0.057 Aluminio anodizado 0.77 Aluminio áspero 0.07 Antimonio, pulido 0.28 - 0.31 Tablero y papel del asbesto 0.94 Asfalto 0.93 Basalto 0.72 Berilio 0.18 Berilio, anodizado 0.9 Bismuto, brillante 0.34 Asfalto 0.93 Berilio 0.18 Cadmio 0.02 Carbón, no oxidado 0.81 Filamento del carbón 0.77 Carbón prensado 0.98 Hierro fundido, dado vuelta nuevamente 0.44 USOS Y APLICACIONES: Se utilizan para medir temperaturas muy elevadas sin la necesidad de contacto físico y dependiendo del rango deseado se elige uno de los tipos de pirómetros ya que los pirómetros de radiación total tienen un mayor rango que los ópticos. El pirómetro de radiación se puede recomendar en lugar del termoeléctrico en los casos siguientes: 

Donde un par termoeléctrico sería envenenado por la atmósfera de horno.

Para la medida de temperaturas de superficies.

Para medir temperaturas de objetos que se muevan.

Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los termopares.

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Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura.

Donde las condiciones mecánicas (vibraciones, choques, etc.) acorten la vida de un par termoeléctrico caliente.

En la industria del vidrio se necesita controlar la temperatura en sus procesos, es por ello que se emplean pirómetros, de los cuales según la capa de vidrio que se desea medir, se elige el tipo de pirómetro, debido a que en diferentes longitudes de onda se alcanzan diferentes profundidades. Pirómetros con detectores de silicio alcanzan profundidades en vidrio para ventanas de unos 190mm aproximadamente SISTEMAS TERMICOS DE RELLENO Un sistema térmico de relleno detecta la temperatura a través de una variación de volumen o presión de un fluido que acompaña a una variación de temperatura. Existen diversos tipos de sistemas térmicos de relleno que se clasifican:  

Por el tubo capilar Por el gas que usan

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El sistema básico incluye un sensor de temperatura, un elemento de desplazamiento del tipo Bourdon, a diafragma o a fuelle, un tramo de tubo capilar y un fluido. El sensor se encuentra ubicado en el lugar donde se debe medir la temperatura, mientras el tubo conecta el sensor al elemento de desplazamiento. CLASIFICACIÓN POR EL TUBO CAPILAR  POR COMPENSACION DE CAJA: Cuando los elementos capilares son menores o iguales a 5 m; en este tipo de sistema se utiliza un mecanismo de compensación de caja el que consiste en colocar una base bimetálica en la base del puntero a estos sistemas térmicos se los conoce como la clase B

 POR COMPENSACION COMPLETA: Conocido como la clase A, este sistema utiliza elementos capilares superiores a 5m de longitud.

VENTAJAS: Son sumamente útiles al momento de necesitar fuerza; lo cual facilita la toma de decisiones o de órdenes. Un sistema de estos es capaz de levantar una compuerta de una válvula CLASIFICACION POR EL GAS USADO     9 INDUSTRIAL

LIQUIDO NO METALICO (alcohol) GAS PROPANO-METANO (propano – metano) Utiliza para niveles diferentes GAS LIQUIDO: Utiliza cuando se necesita fuerza MERCURIO: Utiliza para niveles a la misma posición INSTRUMENTACION


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BIBLIOGRAFIA Y LINKS: http://www.xuletas.es/ficha/medicion-de-temperatura/ Industrial Instrumentation Fundamentals, Fibrance, Austin E., Mc. Graw Hill Company, Nueva York, 1962. Instrumentation for Engineering Measurements, Dally, James W., John Wiley & Sons, Nueva York, 1984. Mechanical Measurement, Beckwith, Thomas G., Addison-Wesley Pub Co., 3a Edici贸n, 1982. Instrumentaci贸n Industrial, Creus, Antonio, Publicaciones Marcombo, Mexico, 1981. http://www.sereetron.com/Medida%20temp%20en%20industria%20vidrio.pdf http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm

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BREVE RESEÑA SOBRE INSTRUMENTOS PARA MEDIR TEMPERATURA

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