trabajo de metrología: temperatura

GUSTAVO APONTE G12N03GUSTAVOJUAN FELIPE GARZÓN G12N24FELIPEMIGUEL RAMOS G12N30MIGUELFELIPE NEIRA G12N13JUANFELIPE

FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

2012-I

Trabajo de Metrología: Temperatura

Definiciones

Magnitud referida a nociones de calor (caliente, tibio, frío)

Magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Relacionada con la energía cinética.

Energía cinética

Energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en sentido rotacional, trasnacional o en forma de vibraciones.

La temperatura de un sistema aumenta de manera directamente proporcional a su energía cinética.

Energía cinética

Sólidos: Vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido.

Gases ideales: Movimientos trasnacionales, rotacionales y vibraciones de sus partículas.

Temperatura

La temperatura se define como

cuantificación de la actividad molecular de

la materia.

Temperatura

Afecta:Estado de la materia.Volumen.Solubilidad.Presión de vapor.Color.Conductividad eléctrica.Velocidad de reacciones químicas.

Principio cero de la termodinámica

Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico, con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarán en equilibrio térmico entre sí.

Ya que tanto los sistemas A, B, y C están todos en equilibrio térmico, es razonable decir que comparten un valor común de alguna propiedad física. Llamamos a esta propiedad temperatura.

Principio cero de la termodinámica

Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

Segunda ley de la termodinámica

La entropía de todos los sistemas, o bien permanece igual o bien aumenta con el tiempo.

Esto se aplica al Universo entero como sistema termodinámico.


Máquina térmica: Dispositivo que permite transformar calor en trabajo mecánico.

El trabajo realizado por una máquina térmica corresponde a la diferencia entre el calor que se le suministra y el calor que sale de ella. Su eficiencia equivale al trabajo que realiza dividido entre el calor que se le suministra:


La eficiencia depende sólo de Qi y de Qf. Ya que Qi y Qf corresponden al calor transferido a las temperaturas Ti y Tf, es razonable asumir que ambas son funciones de la temperatura:


Es posible determinar y utilizar una escala de temperatura tal que:

Se tiene que:


El signo negativo indica la salida de calor del sistema. Esta relación sugiere la existencia de una función de estado S definida por:

Reorganizando esta ecuación, se obtiene una definición para la temperatura en términos de la entropía y el calor.


Para un sistema en que la entropía sea una función de su energía interna E, su temperatura esta dada por:

La inversa de la temperatura del sistema es la razón de cambio de su entropía con respecto a su energía.

Termómetros

El instrumento de medición de la temperatura.

Inicialmente se fabricaron usando materiales con un elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible.

El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.

Termómetros

Breve cronología de los termómetros:1592: Galileo Galilei construye el termoscopio, que utiliza

la contracción del aire al enfriarse para hacer ascender agua por un tubo.

1612: Santorre Santorio da un uso médico al termómetro.1714: Daniel Gabriel Fahrenheit inventa el termómetro

de mercurio.1821: T.J. Seebeck inventa el termopar.1864: Henri Becquerel sugiere un pirómetro óptico.1885: Calender-Van Duesen inventa el sensor de

temperatura de resistencia de platino.1892: Henri-Louis Le Châtelier construye el primer

pirómetro óptico.

Termómetros

Termómetro de mercurio. Tubo sellado hecho que contiene mercurio, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. Tiene una escala graduada, que permite ver el cambio de volumen del mismo y determinar la temperatura.

Termómetros

Pirómetro. Instrumento capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. Puede medir temperaturas en un rango desde -50°C hasta 4000°C. Usado mayoritariamente en la medida de temperatura de metales incandescentes.

Termómetros

Termómetro de lámina bimetálica. Formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos y arrollados dejando el coeficiente más alto en el interior. Se utiliza sobre todo como sensor de temperatura en el termohigrógrafo.

Termómetros

Termómetro de gas. Pueden ser a presión constante o a volumen constante. Este tipo de termómetros son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros.

Termómetros

Termómetro de resistencia. Consiste en un alambre de algún metal (como el platino) cuya resistencia eléctrica cambia cuando varia la temperatura.

Termómetros

Termopar (o termocupla). Dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos.

Termómetros

Termistor. Sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura, de acuerdo al proceso inverso del efecto Joule donde el calor puede producir corriente eléctrica. Cuando los extremos de un alambre conductor que forma parte de un circuito se hallan a diferentes temperaturas, circula por él una pequeñísima corriente eléctrica.

El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistor: NTC y PTC.

Son elementos PTC los que la resistencia aumenta cuando aumenta la temperatura, y elementos NTC los que la resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura.

Termómetros

Termómetros digitales: son aquellos que, valiéndose de dispositivos transductores utilizan luego circuitos electrónicos para convertir en números las pequeñas variaciones de tensión obtenidas, mostrando finalmente la temperatura en un visualizador.

Escalas de temperatura

Las escalas de medición de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, relativas y absolutas. Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medición, no tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo: el cero absoluto. Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse.


Escalas relativas: CelsiusFahrenheitEscalas absolutas: KelvinRankine (en desuso).


Escala Celsius. Fue creada por Anders Celsius, es la escala más usada en la mayoría de los países del mundo, denominada también como la centígrada (°C), En esta escala, el cero (0 °C) y los cien (100 °C) grados corresponden respectivamente a los puntos de congelación y de ebullición del agua, ambos a la presión de 1 atmósfera.


Escala Fahrenheit (°F), propuesta por Daniel Gabriel Fahrenheit. El grado Fahrenheit es la unidad de temperatura en el sistema anglosajón de unidades, utilizado principalmente en Estados Unidos.Su relación con la escala Celsius es:

°F = °C × 9/5 + 32 °C = (°F − 32) × 5/9


Fue creada por Lord Kelvin Thompson .

La Escala Kelvin (TK) o temperatura absoluta, es la escala de temperatura del Sistema Internacional de Unidades.

Aunque la magnitud de una unidad Kelvin (K) coincide con un grado Celsius (°C), el cero absoluto se encuentra a -273,15 °C y es inalcanzable según el tercer principio de la termodinámica.

Su relación con la escala Celsius es: TK = °C + 273,15

Calibración de Termómetros

Aunque para la medición de temperatura, se dejan como supuestos sistemas termodinámicos perfectos y para estos se

establecen una escala que los represente como la escala Kelvin (K), conteniendo esta en valor cero de temperatura definido de

forma teórica. Se pueden obtener valores cerca de lo ideal utilizando como referencia la Escala de Temperatura de 1990 (ITS-90) que permite el usa de la escala Celsius de manera al

terna por su similitud a la Kelvin.

Calibración de Termómetros

La forma más sencilla y confiable de calibrar termómetros es utilizando los puntos fijos, sin embargo debe tenerse cuidado para tener una verdadera trazabilidad, ya que se tiene una limitante en cuanto al rango entre -180ºC a 1000ºC en que se encuentra la tabla.

PUNTO FIJOCARACTERÍSTI

CAFÍSICA

TEMPERATURA° C

TERMÓMETROINTERPOLACIO

NArgón Triple punto -189,3442 SPRT

Mercurio Triple punto -38,8344 SPRTAgua Triple punto 0.010 SPRTGalio Punto de fusión 29,7646 SPRT

IndioPunto

solidificación156,5985 SPRT

EstañoPunto


ZincPunto


AluminioPunto


PlataPunto


OroPunto

solidificación1064,18 RT

SPRT: Termómetro estándar de resistencia de platino

RT: Termómetro de radiación Triple punto: Estados sólido, líquido y

gaseoso en equilibrio.

Calibración por puntos fijos

Para calibrar usando puntos fijos, es posible usar unos instrumentos llamados celdas de puntos fijos que poseen gran confiabilidad dentro de las calibraciones industriales, este tipo de celdas existe una gran variedad que contienen sustancias de alta pureza como celdas primarias de cuarzo-vidrio, Celdas de Agua y Celdas Delgadas de Metal con pureza igual a 99.99995%, de aceptación internacional disponibles en Indio, Estaño y aluminio, con incertidumbres de hasta 0.07K.

CENAM:Centro Nacional de Metrología de México

Como un ejemplo de una institución que utiliza celdas de punto fijo como patrón nacional tenemos al CENAM, que bajo el acuerdo EIT-90 asigna valores de temperatura a 17 estados

de equilibrio de 15 sustancias puras, denominados puntos fijos, especifica los termómetros patrón y define las

ecuaciones de interpolación. La EIT-90 comprende el intervalo de 0,65K hasta la temperatura más alta que pueda obtenerse. Los termómetros usados para interpolación son: de gas en el intervalo de 0,65 K a 13,8033 K; de resistencia de platino, en

el intervalo de 13,8033 K hasta 1234,93 K; y de radiación, para medir temperaturas mayores a 1234,93 K.


Las incertidumbres que se maneja en esta institución en los puntos fijos están determinadas por la reproducibilidad de los mismos. A continuación se listan las incertidumbres correspondientes con un factor de cobertura de k=2, con un nivel de confianza de aproximadamente 95%.

La reproducción del kelvin se mantiene mediante un conjunto caracterizado de 17 celdas de punto triple de agua. El CENAM reproduce la EIT-90 en el intervalo de 83,8058 K hasta 1357,77 K mediante la celdas de los puntos fijos de Ar, Hg, H2O, Ga, In, Sn, Zn, Al y Ag; el uso de termómetros estándar de resistencia de platino de tallo largo y termómetros de radiación y las fórmulas de interpolación de laEIT-90.


Citamos a esta institución, puesto que en el CENAM cuentan con las celdas de punto comparadas con patrones internacionales, la Escala de Temperatura del CENAM es no solamente el Patrón Nacional, sino un patrón primario, por lo que constituye el origen de la trazabilidad del país.

Sus celdas han sido comparadas con las correspondientes de Alemania, Argentina, BIPM, Brasil, Canadá, Colombia, China, EU,Italia, Jamaica, Panamá, Perú, Taiwan, Turquía y Uruguay

Calibración por comparación

El método de calibración por comparación es el más utilizado. Implica comparar un termómetro inferior con otro superior. Pueden ser del mismo tipo, pero el superior debe estar calibrado a mayor precisión. La comparación puede ser hecha en un baño líquido donde el volumen sea suficiente para garantizar la misma temperatura en todo el volumen. Este volumen isotérmico debe ser suficiente para contener los dos termómetros y que ambos estén a la temperatura del baño.

Sensores de Temperatura

Los sensores en generales son dispositivos capaces de detectar magnitudes físicas como temperatura y humedad. Para poder conocer lo que los sensores leen, estos transforman las magnitudes medidas en señales eléctricas, que después de ejecutarla muestran los resultados obtenidos de la medición.

Sesnsor LM35

Precisión de ~1,5ºC (peor caso), 0.5ºC garantizados a 25ºC.

Baja corriente de alimentación (60uA).

Rango entre -55º y 150ºC.

Bajo costo.

Sensor Dallas DS18S20

Rango entre -55°C y +125°C.Precisión de 0.5°C en un rango entre –10°C y +85°C.Opera sin una fuente de poder externa.

Experimento

Se realiza un ensayo de medición de temperatura con cada sensor, mostrando la medición y variación de esta a lo largo del tiempo.

Resultados – Gráficas

0 5 10 15 20 2518

18.5

19

19.5

20

Tiempo vs Temperatura

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(°C

)

0 5 10 15 20 2518

18.2

18.4

18.6

18.8

19

19.2

19.4

19.6

19.8

20

Tiempo vs Temperatura

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(°C

)

ML35 Dallas DS18S20

Resultados – Tabla

Máximo (°C)

Mínimo (°C)

Moda (°C)

Media (°C)

Desviación Estándar

(°C) Sensor LM35 18.54 18.06 18.06 18.252 0.235151015Sensor Dallas

DS18S2019.5 19.5 19.5 19.5 0

Diferencia 1.44 0.96 1.44 1.248 0.235151015

Análisis de resultados

El sensor Dallas es mucho mas preciso que el LM35, lo cual se ve reflejado en las gráficas, ya que sus mediciones son constante a lo largo del tiempo, mientras que las del LM35 no.

La precisión del sensor también se ve reflejada en los datos estadísticos , como la desviación estándar que es de cero, lo cual implica que ningún dato se aleja de la media, es decir todos los datos son iguales a lo largo del tiempo, lo que no ocurre con el sensor LM35, tal y como se enuncio anteriormente.

Conclusiones

Si bien se sabía desde un comienzo que la metrología es de suma importancia para un gran número de profesiones, este trabajo, enfocándose a la temperatura, permitió explicar como se calibran los equipos, que unidades de medición se manejan y como funcionan algunas de los sensores mas comunes.

Además, se pudo ver como los sensores, que deberían marcar la misma temperatura, presentan una diferencia de mas de un grado Centígrado, lo cual muestra una vez más lo importante que es la metrología, ya que si se tomara el sensor ML35 y se tomaran datos con este, tanto los datos como las conclusiones obtenidas a partir de este no tendría ninguna validez, ya que el equipo no esta calibrado y por tanto arrojaría datos poco confiables.

Bibliografía

2010. Ds 18S20 High-Precision 1-Wire Digital Thermometer. 20 de Mayo de 2012 <http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/DS18S20.pdf>.

Dave Ayres, Anne Blundell. «Isotech China.» 2011. Calibración Termometros. 18 de Mayo de 2012 <http://www.isotech-china.com/pdfs/tempcal-es.pdf>.

Instrument, Texas. 2011. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors. 20 de Mayo de 2012 <http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf>.

Universidad Nacional De Colombia, Sede Medellin. ¿Como se mide la temperatura? 2010. 23 de Mayo de 2012 <http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/medellin/nivelacion/uv00007/lecciones/unidad3/energia_pagina4p.html>.

X-Robotics. 2012. 21 de Mayo de 2012 <http://www.x-robotics.com/sensores.htm>.

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