1. revisado, rep 1 calibracion termopar equipo final, 04032016
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CENTRO DE CIENCIAS BÁSICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA
INGENIERÍA BIOQUÍMICA
LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II
SEXTO SEMESTRE
REPORTE #1
CALIBRACIÓN DE TERMOPARES
Estefanía Ortega Flores Fabián Alcalá DávilaDalila Viramontes DuránEdgar Said Ortiz Carrillo
Profesora: Dra. En C. Elsa Marcela Ramírez López
Aguascalientes, Ags. 04 de Marzo del 2016
¡FELICIDADES!
El documento se encuentra muy bien ordenado, y con la estructura solicitada.
CONTENIDO VALOR CALIFICACIÓN
Introducción 0.5 0.5
Objetivo 0.5 0.5
Metodología 0.5 0.5
Resultados 2.5 2.5
Discusión 2.5 2.5
Conclusiones 2.5 2.5
Cuestionario 0.5 0.5
Bibliografía 0.5 0.5Reporte 10.0 5.0
Trabajo laboratorio 10.0 5.0Evaluación final 10.0
Introducción
El termopar es un dispositivo para la medición de temperatura basado en efectos
termoeléctricos. Es un circuito formado por dos conductores de metales diferentes o
aleaciones de metales diferentes, unidos en sus extremos y entre cuyas uniones existe una
diferencia de temperatura, que origina una fuerza electromotriz (efecto seebeck). Esta
fuerza electromotriz generada por el termopar está en función de la diferencia de
temperatura entre la unión fría y caliente. (Guerrero, 2002).
Los sensores de efecto termoeléctrico son un tipo de termómetros cuyo principio
físico recae en que cuando dos metales distintos están unidos se genera una FEM, es decir,
se genera movimiento de los electrones libres como flujo de corriente en la unión entre los
metales, y todo este fenómeno es función de la temperatura puesto que consiste en la
transformación de energía térmica en energía eléctrica (Morris, 2001). La forma general
que describe este proceso es una ecuación no linear, sin embargo, existen algunas
combinaciones de metales en las que la siguiente relación lineal es útil para su aplicación
en mediciones de temperatura (Sean, 2005):
e ≈ aT
Donde e es la fem generada y T, es la temperatura absoluta. Metales que cumplen
con esta característica son intencionalmente unidos en el extremo para que funcionen como
termómetros y se les conoce como termopares (Morris, 2001).
Dentro del termopar se hallan los dos hilos metálicos, unidos en la punta, esta
unión constituye el punto de medición (junta caliente). El otro extremo se llama junta fría.
El calentamiento de la junta de medición provoca la tensión eléctrica, aproximadamente
proporcional a la temperatura, esta tensión (fuerza electromotriz F.E.M.) se debe a dos
factores: la densidad de electrodos diferentes de los dos materiales y de la diferencia de
temperatura entre los dos puntos (CITA). (Guerrero, 2002) qué es lo que continúa después
de este paréntesis
Para la realización de cualquier experimento es necesario contar con el equipo en
estado óptimo, es por eso que la calibración de este aparato es imprescindible, y es
relevante tener en cuenta que existen muchos factores que influyen en la frecuencia de
calibración la relación entre la temperatura y el voltaje puede ser expresada en tablas,
curvas, ecuaciones matemáticas (CITA). (Garcia, 2014) qué es lo que continúa después de
este paréntesis
Los termopares tienen múltiples aplicaciones, en la industria textil para medir
temperaturas en los tejidos, en la industria alimenticia para medir la temperatura en
procesos de fermentación, en criotécniacriotécnica se usan termómetros basados en
termopares para la medida de temperaturas por debajo de los -200° C, se utilizan para
medir temperaturas de la sangre en el interior del cuerpo humano usando microelementos
térmicos, etc. (Fink, 1984).
Objetivo
Calibrar un termopar hierro-Constantán utilizando agua.
Metodología
Calibración del termopar del galvanómetro
Se llevó a cabo la calibración del galvanómetro con termopar tipo J. El
galvanómetro se encendió y el extremo del termopar se puso en contacto con agua a 0°C (-
punto de congelación) con lo que se estandarizó la lectura final de la escala a 0°C en el
galvanómetro. Se prosiguió a girar la perilla del STD para introducir esa condición estándar
al aparato. Para fijar la temperatura superior, se calentó agua hasta llegar a su punto de
ebullición y se prosiguió a introducir el termopar en este recipiente para medir el % de
transmitancia máxima ajustando con los tornillos de movimiento grueso y luego fino.
Obtención de datos para la curva de calibración del termopar del galvanómetro
Se midió el % de transmitancia dado por 5 contenedores con agua a distinta
temperatura, conocida puesto que también se midió con termómetro, entre el rango de 0 a
100°C. Con estos datos, se graficó el % de transmitancia contra la temperatura marcada en
cada uno de los 5 contenedores con agua y se obtuvo el gráfico de calibración para
termopar del galvanómetro.
Medición de la temperatura con un amperímetro
Se comenzó por ensamblar el termopar al amperímetro digital de gancho (marca
Steren) mediante la conexión que tenía en uno de los extremos, verificando conectar con la
polaridad correcta. Se conectó el amperímetro a la corriente. En las opciones del
amperímetro se seleccionó la modalidad de temperaturas, se utilizó 750°C como límite
superior de temperatura. Se puso en contacto el termopar con hielo a 0°C y así se estableció
el límite inferior de temperatura.
Obtención de los datos para comparar entre la temperatura medida por el
amperímetro y la medida por un termómetro
Se realizaron 5 mediciones de temperaturas intermedias en agua. Los datos
obtenidos fueron analizados con la ecuación para obtener el % de error que tiene el
amperímetro con respecto a los grados de temperatura marcados en el termómetro.
Fórmulas utilizadas
Ecuación de un termopar:
E=a+b Δt
Para calcular el % de error del termopar respecto al termómetro se utilizó la formula
siguiente:
% error=(Temp .Termómetro−Temp . Termopar )Temp . Termómetro
x100
Resultados
En esta práctica se utilizaron dos tipos de termopares: Tipo J (en el galvanómetro) y
Tipo K (en el amperímetro). Los resultados de esta práctica, se dividirán en dos partes
como lo marca la metodología de este protocolo, y a su vez se dividirán en Observaciones e
Imágenes y Datos Experimentales.
1) Calibración de un termopar tipo J con el galvanómetro
Observaciones e Imágenes
Para realizar la práctica, se utilizó un galvanómetro con un termopar tipo J el cual se
muestra en la figura 3.
Figura 3. Galvanómetro utilizado en la práctica de laboratorio.
Como primer paso, se calibró el termopar considerando la máxima y mínima
temperatura que puede tomar el agua (temperatura de ebullición y temperatura de fusión
respectivamente. El termopar utilizado se muestra en la figura 4.
Figura 4. Termopar tipo J utilizado en la calibración.
Para su manejo, fue importante conocer algunas de las partes que componen al
galvanómetro y así poder realizar las lecturas correspondientes, dichas partes se detallan en
las figuras 4, 5 y 6.
Datos experimentales
En el cuadro 2, se condensan los datos obtenidos a partir de las mediciones de
porcentaje de transmitancia realizadas a diferentes temperaturas de la molécula de agua.
Temperatura
(°C)
% Transmitancia
0 0
11 6.5
23 10
Figura 4. Botones utilizados para ajustar el intervalo de la
temperatura máxima y mínima del agua en la escala del
galvanómetro.
Figura 6. Escala del galvanómetro que mide
temperatura y % de transmitancia.
Figura 5. Botón de condiciones estándar. Con este botón establecemos la
temperatura.
Botón de ajuste grueso
Botón de ajuste fino
Escala de medición de temperatura y % de
transmitancia
37 16
57 22
74 30
94 35
Cuadro 2. Datos experimentales de la relación de temperatura con el porcentaje de transmitancia de
las muestras de agua.
Del cuadro 2, se obtiene un gráfico al cual se le ha obtenido su ecuación. Dicha
ecuación es una expresión para esta curva de calibración. La ecuación que representa la
relación entre la temperatura del agua y el % de transmitancia es: y = 0.3691x + 1.4125.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
5
10
15
20
25
30
35
40
f(x) = 0.369065942968244 x + 1.41248784834738
Curva de calibración de la relación de la temperatura con el % de Transmitancia
Temperatura (°C)
% d
e T
rans
mita
ncia
Simbología Ecuación de la recta Línea de tendencia
Gráfico 1. Curva de calibración para el termopar tipo J que representa la relación de la temperatura
del agua y su % de transmitancia.
2) Calibración del termopar tipo K con el amperímetro
Observaciones e Imágenes
En esta parte de la práctica, se utilizó un termopar tipo K, el cual iba conectado a un
amperímetro (figura 7), del cual hicimos comparaciones en las mediciones de temperatura
por el termómetro y las dadas por el termopar.
Figura 9. Procedimiento que se realizó para la medición de la temperatura con el termómetro y con
el termopar para posteriormente compararlas.
Figura 7. Amperímetro utilizado para la calibración del termopar tipo K.
Figura 8. Termopar tipo K utilizado en la práctica. La parte circular que se ve en el
extremo derecho, es la parte metálica que se introdujo en las muestras de agua.
Parte del amperímetro donde
se conecta el termopar.
Datos experimentales
Para esta parte del experimento, la metodología fue similar a la del anterior, solo
que ahora se utilizó un termopar tipo K utilizando un amperímetro. En este caso, solo se
comparó la temperatura registrada en el termómetro y la obtenida por el termopar. Los
resultados se muestran en el cuadro 3.
Muestra de
Agua
Condiciones de temperatura del agua % Error
(Valores absolutos)Temperatura medida
con el termómetro (°C)
Temperatura medida
con el termopar (°C)
Calibración 0 3 El porcentaje de error
no se puede calcular
1 10 12 20%
2 20 22 10%
3 40 43 7.5%
4 60 63 5%
5 80 82 2.5%
6 96 98 2.08%
Cuadro 3. Valores experimentales de temperaturas obtenidas por el termómetro y el termopar.
La relación y porcentaje de error que posee el termopar, en el gráfico 2 se representa
la comparación entre la temperatura dada por el termómetro y la dada por el termopar.
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
Comparación de la temperatura medida con el termómetro y la obtenida con el termopar
Temperatura termopar (°C)
Temperatura termómetro (°C)
Tem
pera
tura
term
opar
(°C
)
Gráfico 2. Comparación y relación entre la temperatura obtenida por el termómetro y la obtenida
por el termopar. Se obtiene casi una línea recta ya que la variación en temperatura no es mucha.
Discusión
Esta práctica consistió en la calibración de dos tipos diferentes de termopares (K y
J), utilizando muestras de agua a diferentes temperaturas. Es importante mencionar, que, en
este experimento, era necesario establecer un rango de temperaturas, ese rango está
determinado de acuerdo a la sustancia que vamos a utilizar, y deben ser bien conocidas sus
propiedades fisicoquímicas (punto de ebullición, punto de fusión); es por ello que se
escogió el agua, ya que de ella hay mucha información y datos en tablas para poder
establecer esa variable. Hay tres puntos de referencia fácilmente accesibles para comprobar
la precisión de los instrumentos de medida de temperatura: 0°C (mezcla de agua y hielo),
36.5 °C (temperatura corporal) y 100 °C (temperatura de ebullición). Por lo tanto,
volvemos a coincidir en la utilización de un material como el agua para evaluar esta prueba
por el conocimiento de sus propiedades como explica Whitman (2006).
Como lo menciona Acedo (2003), un termopar es un sensor para medir
temperatura. El mecanismo para medir temperatura consiste en que, si dos metales
diferentes unidos por sus extremos tienen esos extremos sometidos a temperaturas
diferentes, circulará una corriente por el circuito así formado, y, por tanto, la corriente que
circula resulta proporcional a la diferencia de temperatura. Este principio aplica en el
experimento realizado con el termopar tipo J donde con ayuda de un galvanómetro se
realizaron mediciones de % de transmitancia a diferentes temperaturas. En este caso, la
transmitancia a evaluar, es fue la transmitancia térmica, la cual se define como la cantidad
de calor que atraviesa una ventana por tiempo, por área y por diferencia de temperatura
(Rolle, 2006). Si decimosen donde observamos que la corriente (que puede ser transferida
por calor), es proporcional a la temperatura, tendremos que, a mayor temperatura, mayor %
de transmitancia, este comportamiento puede validarse con los datos experimentales
reportados en el cuadro 2 y en el gráfico 1 de los resultados, concuerda con lo mencionado
por Acedo (2003) para el termopar tipo J. Del gráfico 1, se obtuvo la ecuación de la recta: y
= 0.3691x + 1.4125 obteniendo un coeficiente de determinación (R2) de 0.9939, y de
acuerdo Amador (2014), nuestro ajuste fue muy bueno, ya que es muy cercano a 1, y
nuestros datos pueden ser reproducibles en un experimento posterior.. Amador, (2014),
menciona que el valor de R2 denota el coeficiente múltiple de determinación, que es una
medida de qué tan bien se ajusta la ecuación de regresión a los datos muéstrales. Entre R2
se acerque más a1 valor de 1, se tendrá un mejor ajuste. Para el experimento, se obtuvo un
coeficiente de determinación de 0.9939, lo que indica que nuestro ajuste es muy bueno y
nuestros datos pueden ser reproducibles en un experimento posterior.
En el caso del termopar tipo K, en donde se utilizó el amperímetro, solo se realizó
una comparación entre la temperatura proporcionada por el termómetro y la proporcionada
por el termopar. En promedio, el termopar tenía un error de 2.5°C aproximadamente, en
comparación con el termómetro de mercurio. Al graficar ambos datos (gráfico 2), se obtuvo
una línea casi recta, lo que indica que la variación en la temperatura del termopar no es
importante, ya que corresponde con los límites de error estándar para un termopar tipo K de
aproximadamente 2.2°C descrito por Creus (2009), a temperaturas mayores o menores de
0°C.
Conclusiones
Una forma de calibrar el termopar de un galvanómetro es con sustancias con
puntos de congelación y ebullición conocidos como los del agua para poder usarlo como un
instrumento de medición de temperatura.
Realizamos un análisis matemático sobre las variables de temperatura obtenidas en
y se observó que los valores del porcentaje de % de transmitancia del galvanómetro
mostraron buena proporcionalidad con la temperatura real medida con termómetro en agua
a distintas temperaturas. El método de calibración no mostró elevada discrepancia.
El amperímetro que se utilizó puede ser utilizado para medir la temperatura
siempre y cuando se considere que tiene un porcentaje de error de entre 2 y 20%
Cuestionario
1. Investigue que otros dispositivos se utilizan para medir temperaturas y que rangos
manejan.
Existen diferentes maneras de medir la temperatura, algunas de ellas se mencionan a
continuación.
- Medida de temperatura con sondas de resistencia
La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia se basa en la variación de
la resistencia de un sensor en función de la temperatura. El material que forma el sensor se
caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia” que expresa, a una
temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada
grado que cambia su temperatura. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de
hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido
con un revestimiento de vidrio o de cerámica.
Las sondas de resistencia son muy estables, ya que en el proceso de su fabricación se
calienta el hilo para homogenizar la estructura de cristal y eliminar óxidos. La deriva de la
sonda de Pt 100 es de +/- 0.05°C y tiene un margen de temperatura de 25 – 150°C.
El circuito típico de un calibrador de sonda de resistencia consta de la sonda de tres
hilos, el cable de interconexión, la tarjeta de entrada del PLC, la conexión al ordenador y la
pantalla de visualización de la temperatura (figura 10).
(Pérez, 2014)
Figura 10. Calibración de sondas de resistencia e indicadores o controladores (Pérez, 2014).
- Termistores
Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura
de resistencia negativo de valor elevado (NTC), por lo que presentan unas variaciones
rápidas y extremadamente grandes para los cambios relativamente pequeños en la
temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto,
cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados en sondas y en discos.
En la figura 11 pueden verse las curvas características resistencia-temperatura de
termistores y las dimensiones aproximadas de las sondas
Figura 11. Curva resistencia – temperatura y dimensiones de un termistor.
Los termistores son instrumentos de medición de temperatura, cuya resistencia
eléctrica varía al cambiar la temperatura, de modo que para determinada resistencia
eléctrica hay relacionada una temperatura específica con ella. Un termistor es en esencia
una longitud precisa de alambre conductor que se expone a la temperatura que lo rodea, y
es capaz de registrarla. Así, el termistor puede hacerse tan pequeño como el diámetro de
alambre conductor mínimo práctico, y se puede usar entonces para medir con exactitud los
cambios rápidos de temperatura, o cambios muy pequeños de temperatura. Con frecuencia
se prefieren los termistores a los termopares por las dos razones ya mencionadas; sin
embargo, en comparación con los termopares, tienden a ser útiles en menores intervalos de
temperatura. Los termistores pueden también tener relaciones no lineales entre temperatura
y resistencia eléctrica. Esa no linealidad requiere obtener más datos experimentales, para
establecer una calibración precisa en comparación con los termopares, que tienden a ser
lineales en sus relaciones temperatura-FEM (Rolle, 2006).
- Pirómetros
Los pirómetros son dispositivos medidores de temperatura que usan la radiación
térmica para registrar las temperaturas. Esos dispositivos tienen la ventaja de poder medir
temperaturas de superficie u objetos sin tocarlas, y hasta muy alejadas del pirómetro. El
pirómetro funciona mejor cuando hay un vacío o aire entre él y el objeto. La radiación
térmica está formada por luz visible, luz infrarroja y luz ultravioleta, y su color e intensidad
son indicadores de la temperatura de la superficie del objeto. Existen diferentes tipos de
pirómetros; uno de ellos recibe el nombre de pirómetro óptico, y se usan comparando la luz
de un filamento luminoso fino con el campo de la superficie que se va a medir. Este
procedimiento implica ajustar o cambiar el brillo del filamento luminoso (que está
calibrado para una escala de temperatura) hasta que el filamento parece desaparecer en el
campo. Por esta razón, al pirómetro óptico se le llama a veces pirómetro de filamento que
desaparece. Otro tipo de pirómetro, es el instrumento que a veces se le llama pirómetro de
radiación total, usa una termopila para sentir la radiación térmica que le llega desde un
objeto cuya temperatura se va a medir. Estos instrumentos son adecuados para la
adquisición automática de datos. Se usan con frecuencia para medir la temperatura
superficial del sol, y en otras aplicaciones donde se desea tener una vigilancia continua de
la temperatura.
(Rolle, 2006)
Figura 12. Esquemas y cortes transversales de a) pirómetro óptico y b) pirómetro de radiación total
(Rolle, 2006).
2. Investigar la composición y rangos de varios tipos de termopares comerciales.
En el cuadro 4 se pueden ver los diferentes tipos de termopares típicos utilizados en
la industria, con sus límites de error.
Cuadro 4. Termopares típicos utilizados en la industria (Creus, 2009).
Bibliografía
Creus, A. (2009). Instrumentos industriales: su ajuste y calibración. 3ª Edición. España:
MARCOMBO. Pp: 110 – 134.
Fink, D. H. (1984) Manual práctico de electricidad para ingenieros. Barcelona:
Reverte
García Pérez Miguel Ángel. (2014). Instrumentación Electrónica. Madrid: Ediciones
Paraninfo S.A.
Morris, A. S. (2001). Measurement and Instrumentation Principles (3rd Edition). Jordan
Hill, GBR: Butterworth-Heinemann. Retrieved from
Pérez, M.A. (2014). Instrumentación Electrónica. España: Ediciones Paraninfo. Pp:
361 – 366.
Rolle, K. (2006). Termodinámica. 6ª Edición. España: Pearson Educación. Pp: 58 – 63.
Seann, D. (2005). Reference Book on Chemical Engineering, Volume 1. Daryaganj,
Delhi, IND: New Age International. Retrieved from
Whitman William C., Johnson William M. (2006). Tecnología de la Refrigeración y
aire acondicionado. Volumen 1. 4ª Edición. Madrid España: Thomson Paraninfo.
Dictiotopografía
Guerrero Medrano Silvia. (2002). http://www.metas.com.mx/guiametas/La-Guia-MetAs-
02-07-TC.pdf. Ultima vez consultado 11/02/2016.
ANEXOS
Cálculos para el porcentaje de error del termopar tipo K
Tenemos que el porcentaje de error está dado por:
% Error=( Temp .Termómetro−Temp .TermoparTemp.Termómetro )x 100
Muestra 1
Datos
Ttermómetro = 10°C
Ttermopar = 12°C
Sustitución
% Error=( 10° C−12° C10 °C )x 100=−20 %
Tomando valor absoluto porque es solo es la relación de diferencia entre la temperatura dictada por el termómetro y el termopar, tenemos que:
% Error=20 %
Muestra 2
Datos
Ttermómetro = 20°C
Ttermopar = 22°C
Sustitución
% Error=( 20° C−22 °C20 ° C ) x100=10 %
Muestra 3
Datos
Ttermómetro = 40°C
Ttermopar = 43°C
Sustitución
% Error=( 40 °C−43 °C40 °C ) x100=7.5 %
Muestra 4
Datos
Ttermómetro = 60°C
Ttermopar = 43°C
Sustitución
% Error=( 60 °C−63 °C60 ° C ) x100=5%
Muestra 5
Datos
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