UNIVERSIDAD CATLICA DE SANTA MARIA

FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y FORMALES

INGENIERIA MECANICA MECANICA ELECTRICA MECATRONICA

Practica CALIFICADAAPELLIDOS:SOLORZANO VALDIVIANOMBRES:JEANKARLO JESUS

TERMODINAMICA I2014

Sensores de temperatura (RTD)

RTD significa Resistive Temperature Detector. Son sensores de temperatura cuyo principio fsico se basa en la resistividad de los metales, es decir, en variacin de la resistencia de un conductor con la temperatura. Esto se debe a que al incrementar la temperatura los iones vibran con mayor amplitud y as se dificulta el paso de los electrones a travs del conductor.

La variacin de la resistencia viene dada por la siguiente frmula:R=R_0(1+ T)Donde R_0 es la resistencia inicial.T= T-T_0 es decir variacin de la temperatura. es el coeficiente de temperatura del conductor. Debe ser alto.

Las caractersticas que deben tener los metales son un alto coeficiente de resistencia y alta resistividad para que tenga mayor sensibilidad y que haya una relacin lineal entre la resistencia y la temperatura.El platino es el metal ms ptimo, ya que, adems de cumplir las caractersticas, tiene un rango de temperatura mayor; pero, puesto que es muy caro, se utilizan otros como el nquel o cobre.

Los dos tipos de RTD son: bobinado que permite la contraccin y dilatacin del material sensible y laminado que tiene menor masa trmica, es ms barato, aunque con menor estabilidad.

Las ventajas de utilizar este tipo de sensores es que tiene un margen de temperatura muy amplio; como tienen una gran sensibilidad, las medidas son dadas con mucha exactitud y repetitividad; presentan derivas en la medida de 0,1 C al ao por lo que son muy estables en el tiempo. Los inconvenientes son que el coste es ms alto que el de los termopares o termistores, tambin su tamao ser mayor limitando as su velocidad de reaccin; son frgiles ante vibraciones, golpes; se autocalientan ms.Por tanto, los sensores RTD son los ms apropiados para aplicaciones en las que la exactitud de la medida es lo importante.

Las aplicaciones bsicas son en industria para medir la temperatura de automviles, electrodomsticos, etctera; en laboratorios de precisin; en ohmmetros y en termmetros utilizados donde hay ambientes exigentes.

Que es un termopar?Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energia calorifica en energia electrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821 cuando hizo circular corriente electrica en un circuito, formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas, esta circulacion de corriente obedece a dos efectos termoelectricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberacion o absorcion de calor en la union de dos metales diferentes cuando una corriente circula atravez de la union y el efecto Thompson que consiste en la liberacion o absorcion de calor cuando una corriente circula atravez de un metal homogeneo en el que existe un gradiente de temperaturas.Es decir la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por la union termica a si mismo si se resta el calentamiento ohmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulacion de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la union.La combinacion de los dos efectos Peltier y Thompson, es la causa de la circulacion de corriente al cerrar el circuito en el termopar. esta corriente puede calentar el termopar y afectar la presision en la medida de la temperatura, por lo que durante la medicion debe hacerse minimo su valor.Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales:1. Ley del circuito homogeneo. En un conductor metalico homogeneo no puede sostenerse la circulacion de una corriente electrica por la aplicacin exclusiva de calor.2. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metalicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo 'A' y 'B'.3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequea tension continua proporcional a la temperatura de la union de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la union de referencia. Los valores de esta f.e.m. estan tabulados en tablas de conversion con la union de referencia a 0c las cuales pondre en esta pagina web asi como las funciones polinomicas que se pueden utilizar en lugar de las tablas para saber el valor en voltaje que entregar un termopar dependiendo de la temperatura.MEDICIONES CON STRAIN GAGEUn extensmetro, galga extensiomtrica o strain gage (en ingls) es un dispositivo de medida universal que se utiliza para la medicin electrnica de diversas magnitudes mecnicas como pueden ser la presin, carga, torque, deformacin, esfuerzos, posicin, etc. Inventado por los ingenieros Edward E. Simmons y Arthur C. Ruge en 1938. En su forma ms comn, consiste en un estampado de una lmina metlica fijada a una base flexible y aislante. La galga se adhiere al objeto cuya deformacin se quiere estudiar mediante un adhesivo, como el cianoacrilato. Segn se deforma el objeto, tambin lo hace la lmina, provocando as una variacin en su resistencia elctrica.Se entiende por strain o esfuerzo a la cantidad de deformacin de un cuerpo debida a la fuerza aplicada sobre l. Si lo ponemos en trminos matemticos, strain () se define como la fraccin de cambio en longitud, como muestra a continuacinEl strain gage metlico consiste en un cable muy fino o papel aluminio dispuesto en forma de grilla. Esta grilla, maximiza la cantidad de metal sujeto al esfuerzo en la direccin paralela, figura 3.2. La grilla est pegada a un fino respaldo llamado carrier, el cual est sujeto directamente a la pieza bajo medida. Por lo tanto, el esfuerzo experimentado por la pieza es transferido directamente al strain gage, el cual responde con cambios lineales de resistencia elctrica.Los strain gage se encuentran en el mercado con valores nominales de resistencia de 30 a 3000:, con 120, 350 y 1000: como los valores ms comunes.

TIPO DE TERMOPARES

Para escoger los materiales que forman el termopar se deben tomar en cuenta algunos factores que garanticen su mantenimiento y comercializacin. De esta forma se han desarrollado los siguientes tipos:COBRE CONSTANTANO (TIPO T)Estn formados por un alambre de cobre como conductor positivo y una aleacin de 60% de cobre y 40% de nquel como elemento conductor negativo. Tiene un costo relativamente bajo, se utiliza para medir temperaturas bajo o 0 C. Y como limite superior se puede considerar los 350 C, ya que el cobre se oxida violentamente a partir de los 400 C.HIERRO CONSTANTANO (TIPO J )En este tipo de junta el hierro es electropositivo y el constantano electronegativo.Mide temperaturas superiores que el anterior ya que el hierro empieza a oxidarse a partir de los 700 C.No se recomienda su uso en atmsfera donde exista oxigeno libre.Tiene un costo muy bajo y esto permite que su utilizacin sea generalizada.CHROMEL ALUMEL (TIPO K)Una aleacin de 90% de nquel y 10% de cromo es el conductor positivo y un conductor compuesto de 94% de nquel, 2% de Aluminio, 3% de manganeso y 1% de Silicio como elemento negativo.Este termopar puede medir temperaturas de hasta 1200 C.Ya que el nquel lo hace resistente a la oxidacin.Se los utiliza con mucha frecuencia en los hornos de tratamientos trmicos.Su costo es considerable lo que limita su utilizacin.PLATINO RODIO PLATINO (TIPOR)Tienen como conductor negativo un alambre de platino y como conductorpositivo una aleacin de 87% de platino con 13% de sodio.Este tipo de junta desarrollada ltimamente con materiales de alta pureza son capaces de medir hasta 1500 C si se utilizan las precauciones debidas.Son muy resistentes a la oxidacin pero no se aconseja su aplicacin en atmsferas reductoras por su fcilcontaminacin con el hidrgeno y nitrgeno que modifican la respuesta del instrumento.PLATINO RODIO PLATINO ( TIPOS )El conductor positivo es una aleacin de 90% de platino y 10% deRodio mientras que conductor negativo es un alambre de platino. Sus caractersticas son casi similares al termopar anterior con la diferencia que no puede usarse a temperaturas elevadas porque los metales no son de alta pureza produciendo alteraciones de la lectura a partir de los 1000 C. en adelante.MOLIBDENO RENIOFue desarrollado recientemente y se utiliza para temperaturas inferiores a los 1650 C.Se recomienda usarlos en atmsferas inertes, reductoras o vaco ya que el oxigeno destruye al termopar.TUNSTENO RENIOAl igual que el anterior fue recientemente creado y no tiene datos normalizados de temperatura y mili voltajes.Puede medir temperaturas de hasta 2000 C, el oxigeno y los cambios bruscos de temperaturas destruyen al termopar.Funcionan perfectamente en atmsferas reductoras e inertes si se los protege con funda cermicas.IRIDIO IRIDIO RODIOPuede medir como mximo 2.000C. Su uso es recomendable en atmsferas oxidantes que contienen oxigeno libre. El Hidrgeno produce alteraciones permanentes en el termopar, reduciendo adems su vida til.TUNGSTENO TUNGSTENO RENIOTiene igual utilizacin que el tungsteno renio con la nica diferencia que genera mayor mili voltaje por grado. En la siguiente grfica se muestra el mili voltaje generado por los termopares a diversas temperaturas de su junta caliente y con su junta fra a una temperatura de referencia de 32 F o 0C.TERMISTORESEl termistor fue inventado en 1930 por el americano Samuel Ruben, y obtuvo la patente de EE.UU n2021491. Los termistores son resistores variables con la temperatura basados en semiconductores. El trmino termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistores,dependiento de si su coeficiente de temperatura es negativo o positivo.Si es negativo se denominan NTC( las cuales se fabrican a base de mezclar y sinterizar xidos dopados de metales como el nquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre),y si es positivo se denominan PTC (basadas en titanato de bario al que se aade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutacin) .El funcionamiento de un termistor se basa en la variacin de la resistencia de un semiconductor con la temperatura, debido a la variacin de la concentracin de portadores.Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentar tambin la concentracin de portadores, por lo que la resistencia ser menor, de ah que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, ste adquirir propiedades metlicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado.Sus principales caractersticas son:1.Su rango de temperaturas esta entre -50C y 150C,aunque las unidades encapsuladas pueden alcanzar hasta los 300C.2. En la mayoria de la aplicaciones para una temperatura de 25C la resistencia vara entre 100 ohm y 100Kohm.3. Tienen un tamao reducido que hacen que la repuesta a los cambios de temperatura sea rpida(tienen mayor sensibilidad a los cambios de temperatura que otro transconductores).4. Son autocalentables,lo que hace que puedan ser indeseables en algunas aplicaciones, y que otras bases su funcionamiento en ese fenmeno.5. Gracias a la intercambiabilidad(tolerancia con la que es producido un termistor),es posible cambiar un termistor por otro en un sistema, sin necesidad de volver a calibrar el aparato de medida.

Existen varios tipos de configuraciones para los termistores. stos son: los tipo perla, tipo disco, tipo chip, tipo arandela y tipo barra. Los termistores tipo perla con cubierta de cristal se caracterizan por tener una excelente estabilidad y fiabilidad a temperaturas superiores a 300C. Los termistores tipo chip y disco tienen un tamao mayor que los de perla, lo que permite una potencia de disipacin mayor, a expensas, eso si, de peores tiempos de respuesta. Por su geometra, los termistores de disco suelen tener ms potencia de disipacin que los chips.Sensores de PresionLa presin es una fuerza que ejerce sobre un rea determinada, y se mide en unidades de fuerzas por unidades de rea.

Esta fuerza se puede aplicar a un punto en una superficie o distribuirse sobre esta.

Cada vez que se ejerce se produce una deflexin, una distorsin o un cambio de volumen o dimensin.

Las mediciones de presin pueden ser desde valores muy bajos que se consideran un vaco, hasta miles de toneladas de por unidad de rea.Los principio que se aplican a la medicin de presin se utilizan tambin en la determinacin detemperaturas, flujos y niveles de lquidos. Por lo tanto, es muy importante conocer los principios generales de operacin, los tipos de instrumentos, los principios de instalacin, la forma en que se deben mantener los instrumentos, para obtener el mejor funcionamiento posible, cmo se debe usar para controlar un sistema o una operacin y la manera como se calibran.

Para medir la presin se utilizan sensores que estn dotados de un elemento sensible a la presin y que emiten una seal elctrica al variar la presin o que provocan operaciones de conmutacin si esta supera un determinado valor limite.Por qu UN BUZO DEBE EXHALAR CUANDO ASCIENDE A LA SUPERFICIE?Por que de lo contrario los pulmones les explotarian.

Esto se debe a un principio fisico llamado Ley de Boyle-Mariotte que establece que:El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presion.

Cuando un buzo se sumerge en el mar la presion del agua aumenta a su alrededor lo que hace que el aire en sus pulmones se comprima, ocupando menos espacio lo que hace que necesite aspirar mas. Cuando el buzo inicia el ascenso la presion a su alredor disminuye con lo que el aire de sus pulmones empieza a expandirse. Si no expulsara el aire a medida que va ascendiendo corre el riesgo de superar su capacidad toracica y sufrir graves lesiones.Cuando en un curso de buceo se habla por primera vez sobre la Narcosis o Borrachera de las profundidades (este ltimo trmino fue utilizado por Jacques Cousteu en 1954), resulta prcticamente inevitable no observar risitas sordas e intercambio de miradas entre los alumnos.El trmino narctico proviene del trmino griego narco, y dcese de las sustancias que producen sopor, relajacin muscular y embotamiento de la sensibilidad (Diccionario de la Real Academia Espaola). En buceo, la narcosis se puede definir como el estado de euforia y de confusin mental semejante a la embriaguez alcohlica, que se produce al respirar aire comprimido a partir de una determinada profundidad.Si nos remontamos a las primeras investigaciones y datos sobre la narcosis, tenemos que retroceder al ao 1835, cuando el francs Junod describa por primera vez las reacciones que produca el aire comprimido a presin. No es hasta 100 aos despus, en 1935, cuando Behnke y colaboradores, atribuyen esta situacin a la alta presin parcial del nitrgeno respirado a profundidad.Aunque siempre se habla del nitrgeno como principal responsable de la narcosis, esta alteracin puede ser producida por cualquier otro gas inerte (helio, hidrgeno, etc.). Sin embargo, cuidado!, inerte no significa inofensivo, tan slo significa que una vez que ha penetrado en el organismo no participa en ninguna ruta metablica.Los sntomas de la narcosis, que aparecen a partir de los 35-40 metros de profundidad y que se van agravando con la profundidad, son muy similares a los de una intoxicacin alcohlica. El buceador se siente eufrico, tiene falsa sensacin de seguridad, sensacin de liberacin, un aumento del dilogo interior, etc.A nivel ms general y objetivo, la narcosis afecta primeramente al razonamiento y a la memoria inmediata, se produce disminucin de la atencin, ralentizacin del pensamiento y desinters. Seguidamente se pierde coordinacin motriz, el buceador padece una hiperexcitabilidad y trastornos de comportamiento, puede experimentar alucinaciones, reverberacin del sonido e inclusive, a ms profundidad puede perder el conocimiento.

PROBLEMAS

2.13 Un tanque de 15 kg de gas de acero tiene 300 l de gasolina lquida, con una densidad de 800 kg/m3. Si el sistema se frena con 6 m/s2 cul es la fuerza que se necesita?

m = mtank + mgasoline = 15 + 0.3 800 = 255 kgF = ma = 255 6 = 1530 N2.14 Un cilindro hidrulico vertical tiene un pistn de dimetro 125 mm con fluido hidrulico en el interior del cilindro y una presin ambiental de 1 bar. Suponiendo gravedad estndar, encontrar la masa del pistn que va a crear una presin interior de 1500 kPa.

Balance de la fuerza: F= PA = F= P0A + mpg ; P0 = 1 bar = 100 kPaA = (/4) D2 = (/4) 0.1252 = 0.01227 m2mp = (P-P0)A/g = ( 1500 100 ) 1000 0.01227 / 9.80665 = 1752 kg

2.15 Un barmetro para medir la presin absoluta muestra una altura de la columna de mercurio de 725 mm. La temperatura es tal que la densidad del mercurio es 13,550 kg/m3. encontrar la presin ambiente.

Hg : l = 725 mm = 0.725 m; = 13550 kg/m3P = gl = 13550 9.80665 0.725 10-3 = 96.34 kPa

2.16 Una bala de can de 5 kg acta como un pistn en un cilindro de 0,15 m de dimetro. Como la plvora se quema una presin de 7 MPa se crea en el gas detrs de la pelota. Qu es la aceleracin de la pelota si el cilindro (can) est apuntando horizontalmente?Solucion:

La bala de can tiene 101 kPa en el lado que se enfrenta la atmsfera.ma = F = P1 A - P0 Aa = (P1 - P0 ) A / m = ( 7000 - 101 ) [ ( 0.152 /4 )/5 ] = 24.38 m/s2

2.17 Repetir el problema anterior para un cilindro (caones) apuntando 40 grados hacia arriba en relacin a la direccin horizontal.

ma = F = ( P1 - P0 ) A - mg sin 400ma = ( 7000 - 101 ) ( 0.152 / 4 ) - 5 9.80665 0.6428= 121.9 - 31.52 = 90.4 Na = 90.4 / 5 = 18.08 m/s22.18 Un pistn / cilindro con rea de la seccin transversal de 0,01 m2 tiene una masa de 100 kg de pistn descansando sobre los topes, como se muestra en la figura. P2.18. Con una presin atmosfrica exterior de 100 kPa, lo que debera ser la presin del agua para levantar el pistn?Solucion:

Force balance: F= F= PA = mpg + P0AP = P0 + mpg/A = 100 kPa + (100 9.80665) / (0.01 1000)= 100 kPa + 98.07 = 198 kPa

2.19 El elevador hidrulico en una tienda de reparacin de automviles tiene un dimetro de 0,2 m. Hasta qu la presin se debe bombear el fluido hidrulico para levantar 40 kg de pistn / brazos y 700 kg de un coche?Solucion:

F= ma = mg = 740 9.80665 = 7256.9 N

Balance de fuerza: F= ( P - P0 ) A = F=> P = P0 + F/ A

A = D2 (1 / 4) = 0.031416 m2P = 101 + 7256.9 / (0.031416 1000) = 332 kPa

2.20 Un manmetro de presin diferencial montado en un recipiente de muestra 1,25 MPa y un local de barmetro da la presin atmosfrica como 0,96 bar. Halle la presin absoluta en el interior el recipiente.Solucion:

Pgauge = 1.25 MPa = 1250 kPa; P0 = 0.96 bar = 96 kPaP = Pgauge + P0 = 1250 + 96 = 1346 kPa

2.21 La presin absoluta en el tanque es de 85 kPa y la presin ambiente absoluta local es 97 kPa. Si un tubo en U con mercurio, la densidad de 13,550 kg/m3, est unido al tanque para medir el vaco, lo que la diferencia de altura de columna tendra que mostrar?Solucion:

P = P0 - Ptank = gll = ( P0 - Ptank ) / g = [(97 - 85 ) 1000 ] / (13550 9.80665)= 0.090 m = 90 mm2.22 Un pistn de 5 kg en un cilindro con un dimetro de 100 mm est cargado con un resorte lineal y la presin atmosfrica exterior de 100 kPa. El muelle ejerce ninguna fuerza sobre la de pistn cuando est en la parte inferior del cilindro y para el estado que se muestra, la presin es de 400 kPa con un volumen de 0,4 L. La vlvula se abre para dejar que el aire en, haciendo que el pistn a subir 2 cm. Busque la nueva presin.Solucion:

Un resorte lineal tiene una fuerza lineal proporcional al desplazamiento. F = k x, de modo la presin de equilibrio y luego vara linealmente con el volumen: P = a + BV, con un intersectar una y una pendiente b = dP / dV. Mira la presin de equilibrio en cero el volumen (V -> 0) cuando no hay fuerza de resorte F = PA = PA + MPG y el estado inicial. Estos dos puntos determinan la recta se muestra en el diagrama PV.

Piston area = AP = (/4) 0.12 = 0.00785 m2

2.23 Un manmetro de tubo en U lleno de agua, densidad de 1000 kg/m3, muestra una altura diferencia de 25 cm. Cul es la presin manomtrica? Si la rama derecha se inclina a formar un ngulo de 30 con la horizontal, como se muestra en la figura. P2.23, qu debe el longitud de la columna en el tubo inclinado ser relativa a la de tubo en U?Solucion:

2.24 La diferencia en altura entre las columnas de un manmetro es 200 mm con un fluido de densidad 900 kg/m3. Cul es la diferencia de presin? Cul es la altura diferencia si la misma diferencia de presin se mide usando el mercurio, la densidad 13.600 kg / m3, como fluido del manmetro?Solucion:

P = 1gh1 = 900 9.807 0.2 = 1765.26 Pa = 1.77 kPahhg = P/ (hg g) = (1 gh1) / (hg g) =90013600 0.2 = 0.0132 m= 13.2 mm

2.25 Dos embalses, A y B, abierta a la atmsfera, estn conectados con un mercurio manmetro. Yacimiento A se mueve hacia arriba / abajo para que las dos superficies superiores estn al mismo nivel en h3 como se muestra en la figura. P2.25. Suponiendo que usted sabe A, Hg y medir la alturas h1, h2, h3, y encontrar la densidad B.Solution:

Balance de fuerzas en cada lado:

P0 + Ag(h3 - h2) + Hggh2 = P0 + Bg(h3 - h1) + Hggh1

2.26 Dos tanques de almacenamiento cilndrico vertical estn llenos de agua en estado lquido, densidad 1000 kg/m3, la parte superior abierta de la atmosfera. Uno de ellos es de 10 m de alto, 2 metros de dimetro, el otro es de 2.5 m de altura con 4m de dimetro. Cul es la fuerza total desde el fondo de cada tanque para el agua y lo que es la presin en la parte inferior de cada tanque?

Solucin:

VA = H D2 (1 / 4) = 10 22 ( 1 / 4) = 31.416 m3VB = H D2 (1 / 4) = 2.5 42 ( 1 / 4) = 31.416 m3

Tanques tienen el mismo volumen, de modo misma masa de agua

F = mg = V g = 1000 31.416 9.80665 = 308086 N

Los tanques tienen la misma fuerza neta hacia arriba (sostiene misma m en el campo de la gravitacin)

Pbot = P0 + H gPbot,A = 101 + (1000 10 9.80665 / 1000) = 199 kPaPbot,B = 101 + (1000 2.5 9.80665 / 1000) = 125.5 kPa2.27 La densidad del mercurio cambia de forma lineal con la temperatura como Hg = 13595 a 2,5 T kg / m3 T en grados Celsius por lo que la misma diferencia de presin resultar en una lectura de manmetro que es influenciado por la temperatura. Si una diferencia de presin de 100 kPa se mide en la verano a 35 C y en invierno a -15 C, cul es la diferencia en la altura de la columna entre las dos medidas?

Solucion:

P = gh h = P/g ; su = 13507.5 ; w = 13632.5hsu = 100103/(13507.5 9.807) = 0.7549 mhw = 100103/(13632.5 9.807) = 0.7480 mh = hsu - hw = 0.0069 m = 6.9 mm

2.28 El agua lquida con la densidad se llena en la parte superior de un pistn en un cilindro delgado de la seccin transversal rea A y altura total H. El aire se dej entrar bajo el pistn por lo que empuja hacia arriba, derramar el agua sobre el borde. Deducir la frmula de la presin del aire como un funcin de la elevacin del pistn desde la parte inferior, h.

Solucion: