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MEDICIÓN DE TEMPERATURA Para el día de realización de la práctica, se deberá estudiar la información del presente documento, y además, tomando como referencia el libro de Termodinámica (Yunus A. Çengel, Michael A. Boles) el apartado correspondiente a Temperatura y la Ley Cero de la Termodinámica, y Escalas de temperatura.

Dispositivos de medición de temperatura.

Todos los dispositivos empleados para la medición de temperatura utilizan como principio básico el cambio de una propiedad en un material relacionada con la temperatura y que permita cuantificarla. Algunos dispositivos utilizan principios simples para su funcionamiento, y en general propiedades mecánicas (termómetros de vidrio, bimetálicos, de dilatación); o propiedades eléctricas (termocuplas, termo resistencias, termistores, etc.). Varios de los instrumentos que utilizan propiedades eléctricas son usados como transductores, es decir, permiten la transmisión de la información a un sistema de control como un computador o instrumentos de medición digitales.

Termómetros de vidrio.

Utilizan un tubo de vidrio hueco por el cual puede circular un fluido con una alta sensibilidad al cambio volumétrico debido a un cambio en su temperatura. Consta de un depósito lleno de dicho fluido, conocido comúnmente como bulbo. El fluido utilizado es quien limita el rango de medición del termómetro, según su punto de fusión y ebullición. El mercurio por ejemplo permite un rango de medida de -35 a 280 C.

Termómetros bimetálicos.

La mayoría de materiales presentan la propiedad de dilatarse ante un cambio de temperatura. En general, su longitud se ve incrementada o disminuida proporcionalmente a un aumento o descenso de su temperatura, respectivamente.la

cantidad que un material cambia en longitud con la temperatura, se conoce como

coeficiente de expansión lineal o coeficiente de expansión térmica o coeficiente de

dilatación lineal, etc.

El termómetro bimetálico utiliza dos materiales con diferente coeficiente de

expansión lineal colocados uno junto a otro y con un extremo fijo, de tal manera

que ante un aumento de temperatura uno de los dos materiales variará su longitud

en mayor medida que el otro haciendo que se doble en forma de un arco (Figura 1).

Mediante este método, funcionan la mayoría de los termostatos o interruptores de

temperatura.

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA III Semestre 2013-A MEDICIÓN DE TEMPERATURA Y USO DE CARTAS PSICROMÉTRICAS.

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Figura 1. Dilatación de un par bimetálico [5]

Además de los termostatos, se pueden tener termómetros basados en este principio. En este termómetro (Figura 2) se utiliza un par bimetálico en forma de hélice, fijo por un lado y solidario a una aguja indicadora por el otro. Dependiendo de la variación de temperatura, la hélice tenderá a enrollarse o desenrollarse haciendo que la aguja indique sobre una escala graduada la temperatura medida.

Figura 2 Termómetro bimetálico [5]

Termocuplas.

Cuando dos alambres compuestos por materiales disímiles se juntan por sus extremos, y uno de los dos extremos es calentado, se produce un flujo de corriente continua dentro de este circuito (Figura 3). Este fenómeno lleva el nombre de Seebeck gracias a Thomas Seebeck, quien realizó este descubrimiento en 1821.

Figura 3 Efecto Seebeck [1]

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Si el circuito de la Figura 3, se abre por el extremo de la parte izquierda, el voltaje que en ese momento puede ser medido (Voltaje eAB en la Figura 4) es una función de la temperatura de la juntura del lado derecho y de la composición de los dos metales.

Figura 4 Medición de voltaje en la termocupla [1]

Si se recurre a un voltímetro para medir el voltaje eAB, se crearan nuevas junturas de materiales disímiles en las uniones de los alambres que conforman la termocupla y los terminales del voltímetro, con lo que el voltaje medido no será eAB sino una diferencia de temperatura entre las junturas creadas como se muestra en la Figura 5.

Figura 5 Medición del voltaje generado en la termocupla con un voltímetro [1]

Para solucionar este problema en la medición se han desarrollado diversos métodos. Sin embargo, comúnmente se recurre a la aplicación de las leyes empíricas de las termocuplas para realizar la medición de la temperatura deseada. Estas leyes se desarrollarán más adelante. Uno de los métodos más comunes consiste en utilizar una juntura de referencia, que por lo general consiste en colocar un baño de hielo y agua a la juntura de referencia para que el voltaje generado por la nueva juntura no afecte al circuito y utilizando un alambre de cobre adicional se pueda obtener la medida del voltaje V correspondiente a la temperatura T de la juntura J1 como se muestra en la Figura 6.

Figura 6 Referencia externa [1]

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El voltaje medido V es el correspondiente a la temperatura de la juntura J1 (V1) siempre y cuando los terminales del voltímetro se encuentren a la misma temperatura y que la juntura de referencia se encuentre a 0 C. Nótese que el valor de V2 no es 0V, sino un valor de voltaje en función de la temperatura que denota 0 C. De esta manera se logra que el voltaje medido sea dependiente únicamente de la temperatura de la juntura J1.

Codificación de Termocuplas y Extensiones

Dado que todos los materiales disímiles se comportan de la manera antes descrita, se pueden obtener una gran cantidad de configuraciones de materiales disímiles para medir la temperatura. Sin embargo, existe una codificación que identifica a las mejores parejas de materiales para termocuplas. Esta codificación permite diferenciar e identificar los diferentes tipos de termocuplas según un código de colores que depende del origen de las termocuplas. En nuestro caso utilizaremos la codificación norteamericana. Las extensiones de las termocuplas, son también pares bimetálicos, pero de materiales no tan costosos como los que componen a las termocuplas, y que pueden ser utilizados cuando se necesitan grandes longitudes de cable entre el punto de medición y el centro de recopilación de información de temperatura. La extensión pude conectarse directamente a la termocupla, respetando su polaridad, sin que se altere el valor de la medición. Para poder diferenciar una termocupla de una extensión, y los diferentes tipos de termocuplas, se utilizará en el laboratorio (y en la mayoría de aplicaciones del mercado local) el código de colores ANSI, que se presenta a continuación. Como se puede observar en la Figura 7, la identificación del tipo de termocupla depende del color del recubrimiento de los alambres. El revestimiento indica si se trata de una termocupla o de una extensión. Una extensión puede ser utilizada como termocupla únicamente en el rango de temperaturas que se indica en la tabla.

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Figura 7 Código de colores ANSI para temocuplas y extensiones [4]

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Leyes de las termocuplas

A continuación se detallan las leyes de las termocuplas, por medio de las cuales se puede entender y diagnosticar los circuitos. Se utilizará como ejemplo una termocupla compuesta por un alambre de hierro Fe y uno de constantán C.

Ley de los metales intermedios

Figura 8 Ley de los metales intermedios [1]

Si se inserta un nuevo material (alambre de cobre) entre los alambres de hierro y constantán de una termocupla (Figura 8), el voltaje obtenido no cambiará, sin importar la temperatura a la que se encuentre el nuevo material. El voltaje V es el mismo que el de la termocupla Fe-C a la temperatura T.

Ley de las temperaturas interiores

Figura 9 Ley de las temperaturas interiores [1]

El voltaje de salida V será el de una termocupla Fe-C a la temperatura T, sin importar la fuente de calor externa que s e aplica a cualquiera de los alambres de medición.

Ley de los metales insertados

Figura 10 Ley de los metals insertados [1]

El voltaje V será el de una termocupla Fe-C a la temperatura T dado que los terminales de platino están a la misma temperatura. Las dos termocuplas creadas por el alambre de platino (Fe-Pt y Pt-Fe) actúan en oposición.

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RTD

Simultáneamente a los descubrimientos de Seebeck, Sir Humprey Davy anunció que la resistividad de los metales mostraba una marcada dependencia de la temperatura, de tal manera que si se produce un aumento de temperatura en el metal, se producirá también un aumento de la resistencia. Bajo este principio se empezaron a desarrollar los primeros RTD’s (Resistance Temperature Detector) que consistían en filamentos de platino enrollados en forma de espiral sobre una matriz cerámica.

Figura 11 Primeros RTD [1]

Posteriormente se desarrollarían RTD’s más avanzados que constan de un filamento de platino dentro de un sustrato cerámico sellado. Esto reduce el tamaño del sensor de temperatura, bajo el criterio de que mientras más alta resistividad tenga el metal, se requiere menor cantidad del mismo para un determinado rango de medición. De igual manera, mientras mayor sea la resistencia, mayor es la precisión que se puede obtener.

Figura 12 RTD de filamento de platino [1]

La medición de temperatura con estos dispositivos conlleva algunos problemas. Debido a que requiere de una alimentación de voltaje, y de una manera efectiva de medir las variaciones de la intensidad que circula por el circuito, hace que los mismos terminales de medición generen resistencias indeseadas o ruidos que alteran las mediciones. Para solucionar ese problema se ha recurrido a métodos que incluyen el uso de puentes de Wheatstone y de sistemas de tres cables para obtener medidas precisas.

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Figura 13 Puentes de Wheatstone utilizados en RTD's [1]

Termistores

Al igual que el RTD el termistor es un medidor sensible de temperatura. Mientras la termocupla es el método más versátil para medir temperatura, el RTD es el más estable, el termistor es el más sensible.

Figura 14 Sensibilidad de instrumentos de medición de temperatura [1]

Generalmente, los termistores son construidos con materiales semiconductores con un coeficiente de temperatura negativo, es decir, ante un aumento de temperatura se produce un decremento de resistencia. Esto permite detectar diminutos cambios de temperatura que los otros métodos no pueden detectar. Además, pueden tener tamaños muy reducidos con lo que responden rápidamente ante cambios de temperatura.

Sensores monolíticos lineales de temperatura

Estos medidores de temperatura son circuitos integrados (IC sensosr) que permiten obtener una mayor linealidad en la relación temperatura – resistencia eléctrica. Pueden ser usados como transductores para obtener directamente la información mediante salidas de voltaje o amperaje en un computador o en un sistema de control.

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Figura 15 Sensores lineales [1]

Comparación entre sensores de temperatura

Figura 16 Comparación entre sensores de temperatura [1]

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Procedimiento de realización de la práctica En la práctica correspondiente a medición de temperatura se llevarán a cabo las siguientes actividades:

1. Realizar el siguiente circuito

Material A

Material B

Material C

Material C

mV

T1

T2

Figura 17 Circuito de medición de temperatura [Fuente propia]

T1: temperatura del punto caliente. T2: Temperatura de referencia 0 C. A, B: Materiales de la termocupla. C: Alambre de cobre. mV: Termómetro digital.

2. Para conseguir T1, se utilizará agua en un matraz y se la llevará al punto de ebullición.

3. La temperatura de referencia T2 se consigue con una mezcla de hielo y agua (0 C)

4. Se realizará una juntura en la termocupla para medir la temperatura de ebullición del agua, y una adicional entre cada alambre de la termocupla y el alambre de cobre como se muestra en la Figura 17.

5. La juntura de la termocupla se sumergirá en el agua hirviendo. 6. La juntura entre la termocupla y el alambre de cobre se sumergirá en la mezcla

de agua y hielo. 7. Los extremos libres del alambre de cobre se conectarán al termómetro digital.

El termómetro digital deberá tener activada la referencia externa (interruptor en la parte posterior del equipo)

8. Se tomarán medidas de temperatura y de mili voltaje con los tipos de termocupla o extensión provistos por el laboratorio.

9. Luego se compararán los datos obtenidos de temperatura con valores tabulados de mili voltaje.

10. Para utilizar la referencia interna del termómetro digital, se conecta directamente la termocupla al termómetro suspendiendo la utilización del alambre de cobre y la mezcla de agua y hielo.

11. Se repite el paso 7 para el nuevo estado del equipo. 12. Se desconectarán todos los equipos y se ubicarán en sus posiciones originales

dando por terminada la práctica.

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USO DE CARTAS PSICROMÉTRICAS Para el día de realización de la práctica, se deberá estudiar la información del presente documento, y además, tomando como referencia el libro de Termodinámica (Yunus A. Çengel, Michael A. Boles) los apartados correspondientes a: Humedad específica y relativa del aire, temperatura de bulbo húmedo y la carta psicrométrica.

Descripción de la práctica

La carta pscicrométrica presenta variaciones en su configuración de acuerdo a la presión, y por consiguiente a la altura del lugar geográfico donde se requiera establecer las propiedades del aire. De tal manera que una carta psicrométrica referente a la ciudad de Guayaquil, que se encuentra al nivel del mar (14.7 psia), será diferente a una carta psicrométrica adecuada para la ciudad de Quito, situada a 2800 msnm (10.4 psia aproximadamente). Para determinar las propiedades del aire en una carta psicrométrica, se deben conocer dos datos que permitan determinar un punto dentro de la carta. Se podrían escoger cualquier par de propiedades para determinar dicho punto, pero la manera más conveniente es tomar las temperaturas ambientales de bulbo seco y bulbo húmedo para con ello conocer propiedades como humedad relativa, contenido de agua, volumen específico o entalpía específica. Si se requieren condiciones específicas de temperatura y humedad, también se puede determinar las demás propiedades luego de establecer un punto específico dentro de la carta. Para llevar a cabo la práctica se llevarán a cabo las siguientes actividades:

1. Tomar la temperatura de bulbo seco con un termómetro de mercurio. 2. Colocar una gasa o algodón en el bulbo otro termómetro de mercurio y

humedecerlo. 3. Mover el termómetro de manera oscilatoria hasta que se estabilice el descenso

de la temperatura. 4. Una vez que la temperatura se ha estabilizado, tomar la lectura de temperatura

de bulbo húmedo. 5. Con los datos de las temperaturas tomadas, trazar un punto de intersección en

la carta psicrométrica y leer los valores correspondientes a: - humedad relativa - contenido de agua - volumen específico - entalpía específica

En la práctica se utilizará una carta psicrométrica correspondiente a la ciudad de Quito, y en cada una de las prácticas de laboratorio posteriores se determinarán las condiciones ambientales siguiendo el mismo procedimiento.

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BIBLIOGRAFÍA

1. AGILENT TECNOLOGIES; PRACTICAL TEMPERATURE MEASUREMENS; Aplication

note 290; www.agilent.com 2. ÇENGEL Y. ET ALL; TERMODINÁMICA; Cuarta Edición; Mc Graw Hill; 2002. 3. http://www.sensorsmag.com/sensors/temperature/temperature-

measurement 4. OMEGA HANDBOOK. 5. www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/

NOTA: Este material es de uso exclusivo de los estudiantes de Laboratorio de Termodinámica III correspondientes al semestre 2013-A (enero 2013 – junio 2013) G2