Objetivos

Contenido Objetivos Introduccin Fundamentos Tericos

Facilidades Experimentales Procedimiento experimental Datos Resultados Anlisis de Resultados Conclusiones Recomendaciones Bibliografa Apndice A Apndice B ObjetivosObjetivo General:Familiarizar al estudiante de ingeniera mecnica con los distintos instrumentos usados para medir la temperatura.

Objetivos Especficos:1. Reconocer el principio de funcionamiento de los instrumentos de medicin de temperatura utilizados en la prctica.

2. Identificar la aplicacin mas adecuada de los diferentes instrumentos utilizados.3. Realizar mediciones correctamente con los instrumentos utilizados.

4. Realizar curva de calibracin.IntroduccinLa temperatura es una medida del calor o energa trmica de las partculas en una sustancia. Como lo que medimos en su movimiento medio, la temperatura no depende del nmero de partculas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamao.Se han inventado muchos instrumentos para medir la temperatura de forma precisa. Todo empez con el establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite asignar un nmero a cada medida de la temperatura.

A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) cre la escala Fahrenheit. Fahrenheit asign al punto de congelacin del agua una temperatura de 32 grados y al punto de ebullicin una de 212 grados. Su escala est anclada en estos dos puntos.

Unos aos ms tarde, en 1743, Anders Celsius (1701-1744) invent la escala Celsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asign al punto de congelacin del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullicin una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa en la mayora de los pases y en todas las aplicaciones cientficas.

La medida de la temperatura es una tarea fundamental de la automatizacin de procesos y la fabricacin. Por esta razn se han ido desarrollando diferentes dispositivos e instrumentos para dicho fin, y que su uso va a depender del margen de temperaturas a estudiar o la precisin exigida.

En este informe se van a destacar tres instrumentos en particular en el proceso medicin; como lo son el termmetro bimetlico, el termmetro de mercurio y el voltmetro digital (termopar), dichos dispositivos fueron colocados en un medio controlado, estudiando as el tipo de informacin dada por cada uno de ellos en un intervalo de tiempo especfico, y segn las diferentes lecturas de cada instrumento se observ su velocidad de respuesta y su precisin (con un patrn establecido), para luego realizar verificaciones entre cada unos de ellos comparando las curvas de calentamiento que se formaron.

Fundamentos tericosTemperatura: la temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material referido a un valor patrn definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los estados de la materia.

La temperatura absoluta es el valor de la temperatura media con respecto a una escala que comienza en el cero absoluto (0 K 273,15 C). se trata de uno de los principales parmetros empleados en la termodinmica y mecnica esttica. En el sistema internacional de unidades se expresa en kelvin, y cuyo smbolo es K.

Temperaturas relativas:

Grado Celsius (C). para establecer una base de medida de la temperatura Anders Celsius (en 1742) los puntos de fusin y ebullicin del agua. Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm esta en el punto de fusin. Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presin se considera que esta en el punto de ebullicin. Celsius dividi el intervalo de temperatura que existe entre estos dos puntos en 100 partes iguales a las que llamo grados centgrados. Sin embargo, en 1948 fueron renombrado grados Celsius en su honor; as mismo se comenz a utilizar la letra mayscula para denominarlos.En 1954 la escala de Celsius fue redefina en la Dcima Conferencia de Pesos y Medidas en termino de un solo punto fijo y de la temperatura absoluta del cero absoluto. El punto escogido fue el punto triple del agua que es el estado en el que las tres fases el agua coexisten en equilibrio, al cual se le asigno un valor de 0,01C.

Grado Fahrenheit (F). toma divisiones entre el punto de congelacin de una disolucin de cloruro amonico (a la que le asigna valor cero). Y la temperatura normal corporal humana (a la que asigna valor 100). Es una unidad tpicamente usada en lo Estados Unidos; errneamente, se asocia tambin otros pases anglosajones como el Reino Unido o Irlanda, que usa la escala centgrado.

Grado Reaumur (R,Re,R). usado para procesos industriales especficos, como el del almbar.

Grado Romer o Roemer. En desuso. Grado Newton. En desuso. Grado Leiden. Usado para calibrar indirectamente bajas temperaturas. En desuso. Grado Delisle. En desuso.Calor: el calor es la transferencia de energa trmica desde un sistema a otro de menor temperatura.

Calor especfico: el calor especfico es la energa necesaria para elevar 1C la temperatura de una masa determinada de una sustancia.

Termmetro de mercurio: es un tipo de termmetro que generalmente se utiliza para medir la temperatura del ambiente o entorno a exterior. El mercurio de este tipo de termmetro se encuentra en un bulbo reflejante y generalmente de color blanco brillante, con lo que se evita la absorcin de la radiacin del ambiente. Es decir, este termmetro toma la temperatura real del aire sin que la medicin de esta se vea afectada por cualquier objeto del entorno que irradie calor.Termmetro de lmina bimetlico: es un depositito para determinar la temperatura que aprovecha el desigual coeficiente de dilatacin de dos lminas metlicas de diferentes metales unidas rgidamente (lamina bimetlico).

Los cambios de temperatura producirn en las laminas diferentes expansiones y esto har que el conjunto se doble en arco. En la practica, las dos laminas anteriores mencionadas se suele bobinar en espiral o en forma helicoidal, dejando un extremo libre al que se suelda un ndice o es solidario con una aguja indicadora que muestra, realmente, la rotacin angular de la misma sobre una escala graduada en grados centgrados o Fahrenheit. La ventaja de los termmetros bimtalicos sobre los lquidos es su mayor manejabilidad y su gran abanico de medidas. Son ampliamente utilizados en la industria y constituyen el fundamento del termgrafo, ampliamente utilizado en estaciones meteorolgicas.Termopar: es un dispositivo 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 uni fra o de referencia.

En instrumentacin industrial, los termopares son ampliamente usados como censores 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 aun grado Celsius son difciles de obtener.Facilidades Experimentales Termmetro de mercurio (Ludwig Schneider) Modelo: Western

Apreciacin: 1 C

Capacidad: 55 C

Termmetro bimetlico (Weston Elec. Inst. Corp)Modelo: 221

Serial: 95579 Apreciacin: 5C.

Capacidad: 300 C

Termopar (DBM 203) (4M industries Inc.)

Serial 60906050

Apreciacin: 0.1 mv

Capacidad: 200 mv

Cocinilla

Cronmetro

Vasos de precipitado

Envase aislante.

Agua.

Hielo.

Procedimiento Experimental Se coloc sobre una mesa, la cocinilla, el soporte universal, el termopar, y el cilindro aislado con agua y hielo. se coloc sobre la cocinilla un vaso de precipitado con agua. luego, se sujetaron los termmetros de mercurio y el bimetlico con las pinzas al soporte universal de manera tal, que los bulbos de los mismos quedaran sumergidos en el agua (sin contacto con el vaso precipitado).

Se leyeron las temperaturas iniciales en los instrumentos. Se procedi a encender la cocinilla y a leer las lecturas que arrojaban los tres instrumentos en intervalos de 60 segundos, hasta que estas se mantuvieran constantes durante varios minutos. Durante este proceso cada lectura mostrada fue tabulada. Se hicieron las observaciones necesarias del experimento, en funcin a los datos recogidos.

El arreglo se desmonto al finalizar.

Datos

Registro de temperaturas con respecto al tiempo, medidas con termmetros de mercurio, bimetlico y Termopar.

Tiempo (segundos)Termmetro

Mercurio (C) Termmetro Mercurio (C)Multmetro digital

mVC

027251.325.18

6028301.325.18

12030301.529.11

18034351.733.03

24040402.038.87

30045452.344.49

36052502.650.12

42059552.955.74

48065603.363.25

54071653.668.87

60078753.974.49

66083804.280.11

72088854.585.73

78093904.891.35

84097954.993.22

900991005.095.05

960991005.196.88

1020991005.298.71

1080991005.298.71

1140991005.298.71

Resultados

Grfica N1: Curva de calibracin del termmetro Bimetlico

Grfica N 2: Curva de calibracin del termopar

Figura N 3: Curva de Calentamiento del agua

Anlisis de Resultados Si se observa la grfica bimetlico se puede notar que las mediciones del termmetro bimetlico poseen cierta irregularidad con respecto a la de mercurio, ya que este al poseer un marcador con una divisin de escala de cada 5 grados Celsius, se puede decir que puede arrojar un error considerable, en cuanto a su velocidad de respuesta este termmetro es el mas lento en comparacin con el termmetro de mercurio y el termopar, debido a que este es fabricado a partir de dos tiras de metal soldadas, con diversos coeficientes trmicos de expansin, que se tuercen en funcin a la temperatura, creando as una tendencia a la dilatacin, que produce a su vez una diferencia de temperatura que afecta la exactitud de sus lecturas. Comparando el termopar, se percibe que la curva es menos irregular que la del bimetlico, asemejndose ms a la del termmetro de mercurio, comprobando el hecho de que este es ms preciso. Con los valores arrojados por el termopar se elaboro una grfica para referencia comparativa Milivoltios vs. Temperatura que permitiera determinar su tipo, resultando ser de tipo J (hierro- Constantn), ste tipo de medidor posee una limitacin principal y es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado Celsius son difciles de obtener, posicionando al termmetro de mercurio como el ms preciso de los tres dispositivos utilizados en la prctica.

En las curvas de calibracin elaboradas para los termmetros bimetlicos y termopar se pueden hallar expresiones que permiten mayor precisin en el momento de utilizar dichos instrumentos, ya que con estas podemos acercarnos un poco ms a los valores reales de temperatura. Conclusiones

El termmetro de mercurio es el ms preciso en las lecturas que arroja. El termmetro termopar ofrece menor error que el bimetlico y una mayor velocidad de respuesta. La eleccin de un dispositivo de medida adecuado, va a permitir que las cifras y resultados sean de mayor exactitud y fiabilidad.

El buen manejo y correcto uso de los medidores de temperatura ayudan a que los valores obtenidos sean an ms cercanos a los reales.

La obtencin de medidas exactas de temperaturas no es tan fcil de realizar, ya que siempre, el proceso siempre se va a ver afectado por cierta clase de factores, generando errores en la medicin; tal como la manera de funcionamiento y fabricacin del instrumento de medida, las condiciones del ambiente, el tiempo de medida, etc.

La elaboracin de curvas de calibracin permite acercarse a valores ms reales, cuando se trabaja con dispositivos de medida menos precisos.Bibliografa es.wikipedia.org/wiki/Estroboscopio es.wikipedia.org/wiki/Tacometro www.monografias.com/.../instrumentos-medicion.shtml Manual del ingeniero mecnico. EUGENE A. AVALLONE, THEODORE BAUMEISTER III. Editorial Mcgraw-Hill. 9 Edicin 1999.

Apndice A: ejemplo de clculoConversin de los valores del termopar en milivoltios a grados

Centgrados.

1- Se toma un dato de la tabla N1 que corresponde al termopar en la escala en milivoltio: (1.5 milivoltio)

2- Se ubica el rango de temperatura para ese valor en milivoltio:

0.526 mv 50 F

1.942mv 100 F.

3-conocido el rango de valores se procede a interpolar para tener un valor aproximado de dicha temperatura:

0.526 mv 50 F

1.50mv X X= 84.39F

1.942mv 100 F.

C= 5/9 (F - 32)

C= 5/9 (84.39 32)

C= 29.11

4- Se repite este procedimiento para todos los valores en milivoltio de esta tabla.Mtodo de los mnimos cuadradosPara obtener la ecuacin de la lnea recta de los pares de valores (a0, a1) en forma analtica, recurrimos al Mtodo de los Mnimos Cuadrados.

y = b + mx

XYX2X .Y

2725,18729679,86

2825,18784705,04

3029,11900873,3

3433,0311561123,02

4038,8716001554,8

4544,4920252002,05

5250,1227042606,24

5955,7434813288,66

6563,2542254111,25

7168,8750414889,77

7874,4960845810,22

8380,1168896649,13

8885,7377447544,24

9391,3586498495,55

9793,2294099042,34

9995,0598019409,95

9996,8898019591,12

9998,7198019772,29

9998,7198019772,29

9998,7198019772,29

=1385=1346,8=110425=107693,41

Donde:

y, representa a la variable DEPENDIENTE,

x, representa a la variable INDEPENDIENTE y

n representa el nmero de mediciones tomadas en laboratorio.Ejemplo

Apendice B: AsignacinMedicin:

Es un proceso bsico de la ciencia que consiste en comparar un patrn seleccionado con el objeto o fenmeno cuya magnitud fsica se desea medir para ver cuantas veces el patrn esta contenido en esa magnitud.a) Medida directa:

La medida o medicin diremos que es directa, cuando disponemos de un instrumento de medida que la obtiene, as si deseamos medir la distancia de un punto a a un punto b, y disponemos del instrumento que nos permite realizar la medicin, esta es directa.

Errores en las medidas directas:

El origen de los errores de medicin es muy diverso, pero podemos distinguir:

Errores sistemticos: son los que se producen siempre, suelen conservar la magnitud y el sentido, se deben a desajustes del instrumento, desgastes etc. dan lugar a sesgo en las medidas.

Errores aleatorios: son los que se producen de un modo no regular, variando en magnitud y sentido de forma aleatoria, son difciles de prever, y dan lugar a la falta de calidad de la medicin.

Error absoluto: es la diferencia entre el valor de la medida y el valor real de una magnitud (valor tomado como exacto).

Error relativo: es la relacin que existe entre el error absoluto y la magnitud medida, es adimensional, y suele expresarse en porcentaje.

Clculo del error en medidas directas:

Una forma de calcular el error en una medida directa, es repetir numerosas veces la medida:

Si obtenemos siempre el mismo valor, es porque la apreciacin del instrumento no es suficiente para manifestar los errores, si al repetir la medicin obtenemos diferentes valores la precisin del Instrumento permite una apreciacin mayor que los errores que estamos cometiendo.

En este caso asignamos como valor de la medicin la media aritmtica de estas medidas y como error la desviacin tpica de estos valores.

b) Medidas indirectas

No siempre es posible realizar una medida directa, porque no disponemos del instrumento adecuado que necesitas tener, porque el valor a medir es muy grande o muy pequeo depende, porque hay obstculos de otra naturaleza, etc.

Medicin indirecta es aquella que realizando la medicin de una variable, podemos calcular otra distinta, por la que estamos interesados.

Errores en las medidas indirectas:

Cuando el clculo de una medicin se hace indirectamente a partir de otras que ya conocemos, que tienen su propio margen de error, tendremos que calcular junto con el valor indirecto, que suele llamarse tambin valor derivado, el error de ste, normalmente empleando el diferencial total. A la transmisin de errores de las magnitudes conocidas a las calculadas indirectamente se le suele llamar propagacin de errores.

Clculo del error en las medidas indirectas:

Partiendo de unas medidas directas y de los errores de esas medidas, y conociendo una ecuacin por la que a partir de las medidas conocidas podemos calcular el valor de una medida indirecta, un mtodo de clculo del error de esta medida indirecta es el clculo diferencial, equiparando los diferenciales a los errores de cada variable.

Error:

Elerror de medicinse define como ladiferenciaentre elvalor medidoy el valor verdadero. Afectan a cualquierinstrumento de mediciny pueden deberse a distintas causas. Las que se pueden de alguna manera prever, calcular, eliminar mediante calibraciones y compensaciones, se denominan determinsticos osistemticosy se relacionan con laexactitudde las mediciones. Los que no se pueden prever, pues dependen de causas desconocidas, oestocsticasse denominanaleatoriosy estn relacionados con laprecisindel instrumento.

a) Error sistemtico:

Es aqul que se produce de igual modo en todas las mediciones que se realizan de una magnitud. Puede estar originado en un defecto del instrumento, en una particularidad del operador o del proceso de medicin, etc. Se contrapone al concepto de error aleatorio.

b) Error aleatorio:

Es aquel error inevitable que se produce por eventos nicos imposibles de controlar durante el proceso de medicin. Se contrapone al concepto de error sistemtico.

c) Error absoluto:

El error absoluto de una medida es la diferencia entre el valor de la medida y el valor real de una magnitud (valor tomado como exacto).

d) Error relativo:

Es la relacin que existe entre el error absoluto y la magnitud medida, es adimensional, y suele expresarse en porcentaje.

Sensibilidad:

Es la respuesta del instrumento al cambio de la entrada o parmetro medido. Es decir, se determina por la intensidad de I necesaria para producir una desviacin completa de la aguja indicadora a travs de la escala.

Precisin:

Se refiere a la dispersin del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersin mayor la precisin. Una medida comn de la variabilidad es la desviacin estndar de las mediciones y la precisin se puede estimar como una funcin de ella.

Exactitud:

Se refiere a cun cerca del valor real se encuentra el valor medido. En trminos estadsticos, la exactitud est relacionada con el sesgo de una estimacin. Cuanto menor es el sesgo ms exacta es una estimacin.

Cuando expresamos la exactitud de un resultado se expresa mediante el error absoluto que es la diferencia entre el valor experimental y el valor verdadero.

Calibracin:

Calibracin, de acuerdo con el vocabulario internacional de trminos fundamentales y

generales de metrologa (VIM), es aquel conjunto de operaciones con las que se establece, en unas condiciones especificadas la correspondencia entre los valores indicados en el instrumento, equipo o sistema de medida, o por los valores representados por una medida materializada o material de referencia, y los valores conocidos correspondientes a una magnitud de medida o patrn, asegurando as la trazabilidad de las medidas a las correspondientes unidades bsicas del Sistema Internacional (SI) y procediendo a su ajuste o expresando esta correspondencia por medio de tablas o curvas de correccin. De esta definicin se deduce que para calibrar un instrumento o patrn es necesario disponer de uno de mayor precisin que proporcione el valor convencionalmente verdadero que es el que se emplear para compararlo con la indicacin del instrumento sometido a calibracin. Esto se realiza mediante una cadena ininterrumpida y documentada de comparaciones hasta llegar al patrn, y que constituye lo que llamamos trazabilidad. As pues, la calibracin puede implicar simplemente esta determinacin de la desviacin en relacin un valor nominal de un elemento patrn, o bien incluir la correccin (ajuste) para minimizar los errores.

Clasificacin de los instrumentos de medicion:

Para medirmasa: balanza bscula espectrmetro de masa catarmetroPara medirtiempo: calendario cronmetro reloj reloj atmico datacin radiomtricaPara medirlongitud: Cinta mtrica Regla graduada Calibre vernier micrmetro reloj comparador interfermetro odmetroPara medirngulos: gonimetro sextante transportadorPara medirtemperatura: termmetro termopar pirmetroPara medirpresin: barmetro manmetro tubo de Pitot(utilizado para determinar lavelocidad)

Para medirvelocidad: tubo de Pitot(utilizado para determinar lavelocidad)

velocmetro anemmetro(utilizado para determinar la velocidad del viento)

tacmetro(Para medir velocidad de giro de un eje)

Para medir propiedades elctricas: electrmetro(mide la carga)

ampermetro(mide la corriente elctrica)

galvanmetro(mide la corriente)

hmetro(mide la resistencia)

voltmetro(mide la tensin)

vatmetro(mide la potencia elctrica)

multmetro(mide todos los anteriores valores)

puente de Wheatstone osciloscopioPara medir otras magnitudes: caudalmetro(utilizado para medir caudal)

colormetro espectroscopio microscopio espectrmetro contador geiger radimetro de Nichols sismgrafo pHmetro(mide elpH)

pirhelimetroParmetros que deben tomarse en cuenta a la hora de seleccionar un instrumento de medicin.

Dos caractersticas importantes de un instrumento de medida son la apreciacin y la sensibilidad.

Apreciacin es la mnima cantidad que el instrumento puede medir (sin estimaciones) de una determinada magnitud y unidad, o sea es el intervalo entre dos divisiones sucesivas de su escala.

Apemdice C: Grfica para los diferentes tipos de Termopares

Tipo K - (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio Tipo E - (Cromo / Constantn (aleacin de Cu-Ni))

Tipo J - (Hierro / Constantn)

Tipo B - (Platino (Pt)-Rodio (Rh))

Tipo R - (Platino (Pt)-Rodio (Rh))

Tipo S - (Platino / Rodio)Nota: grfica comparativa para determinar el tipo de termopar utilizado en el laboratorio

Termmetro de mercurio

EMBED MSGraph.Chart.8 \s

Termmetro bimetlico

Termmetro de mercurio

EMBED MSGraph.Chart.8 \s

Termopar

Temperatura (grados centgrados

EMBED MSGraph.Chart.8 \s

Tiempo (Segundos)

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