FISICA II: MEDICION DE LA TEMPERATURA

Temperatura

Es el grado relativo de calor o frío que tiene un cuerpo

Diferentes efectos producidos por la temperatura

Aumento de las dimensiones (Dilatación).
Aumento de presión o volumen constante.
Cambio de fem. inducida.
Aumento de la resistencia.
Aumento en radiación superficial.
Cambio de temperatura.
Cambio de estado sólido a liquido.
Cambio de calor

Observando cada una de las propiedades en los materiales podemos medir la temperatura observando los efectos de los cuerpos.

Todos los instrumentos de medición de temperatura cualquiera que fuese su naturaleza dan la misma lectura en cero por ciento (0%) y 100%, si se calibra adecuadamente, pero en otros puntos generalmente la lectura no corresponderá porque las propiedades de expansión de los líquidos varían, en este caso se hace una elección arbitraria y, para muchos fines será totalmente satisfactoria, sin embargo es posible definir una escala de temperatura de un gas ideal como base suprema de todo trabajo científico.

Las unidades de temperatura son °C, °F, °K, °Rankine, °Reamur, la conversión mas común es de °C a °F.

t(°C)=t(°F)-32/1.8 °F=1.8 t°C +32

video de la medicion de la temperatura

Relación entre escalas de temperatura

Unidades de Temperatura

Escala	Cero Absoluto	Fusión del Hielo	Evaporación
Kelvin Rankine Reamur Centígrada Fahrenheit	0°K 0°R -218.5°Re -273.2°C -459.7°F	273.2°K 491.7°R 0°Re 0°C 32°F	373.2°K 671.7°R 80.0°Re 100.0°C 212.0°F

Los elementos primarios de medición y temperatura, son transductores que convierten la energía térmica en otra o en un movimiento.

La diferencia ente el calor y temperatura, es que el calor es una forma de energía y la temperatura es el nivel o valor de esa energía.

Se han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en 3 tipos:

TERMOMETROS.- Transductores que convierten la temperatura en movimiento.
SISTEMAS TERMALES.- Transductores que convierten la temperatura en presión (y después en movimiento).
TERMOELECTRICOS.- Transductores que convierten la temperatura en energía eléctrica (y mediante un circuito en movimiento)

	Termómetros	De Alcohol De Mercurio Bimetálico
Elementos Primarios de medición de temperatura	Sistemas Termales	Liquido (Clase I) Vapor (Clase II) Gas (Clase III) Mercurio (Clase IV)
	Termoeléctricos	Termopar Resistencia Radiación Optico

Termómetros

Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su funcionamiento se basa en la propiedad que tienen algunas sustancias de variar su volumen con la temperatura, pueden usarse en ellos sustancias sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas, con la única exigencia que la variación de volumen sea en el mismo sentido de la temperatura.

El termómetro de liquido en vidrio es uno de los tipos mas comunes de dispositivos de medición de temperatura y sus detalles de construcción , se muestra en la figura siguiente.

Su bulbo relativamente grande en la parte mas baja del termómetro contiene la mayor cantidad del liquido el cual se expande cuando se caliente y sube por el tubo capilar en el cual esta grabada una escala apropiada con marcas, en la parte superior del tubo capilar se coloca en case de que el margen de temperatura del termómetro se exceda de manera inadvertida. los líquidos mas usados son el alcohol y el mercurio. El alcohol tiene la ventaja de poseer un coeficiente de expansión mas alto que el del mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura debido a que tiende a hervir a temperaturas altas. El mercurio no puede usarse debajo de su punto de congelación de -38.78°F (-37.8°C). El tamaño del capilar depende del tamaño del bulbo sensor, el liquido y los márgenes de temperatura deseados para el termómetros.
Por lo general, los termómetros de mercurio en vidrio se aplican hasta 600°F (315°C); pero su alcance puede extenderse a 1000°F (338°C) llenando el espacio sobre el mercurio común gas como el nitrógeno. Esto aumenta la presión en el mercurio, eleva su punto de ebullición y permite; por lo tanto, el uso de termómetro a temperaturas mas altas.

Un método muy usado para medir la temperatura, es la cinta bimetalica se conectan juntos 2 piezas de metal con diferentes coeficientes de expansión térmica para formar el dispositivo mostrado en la figura siguiente.

Cuando la cinta se somete a cualquier temperatura mas alta a la temperatura a la cual se hizo la liga se doblara en una dirección: cuando se somete a una temperatura inferior, se dobla al otro lado. EZKIN y FRITZE dieron métodos de calculo par las cintas bimetalicas. El radio de curvatura puede calcularse como:

t = espesor combinado de la cinta ligada.

m = razón de espesores de los materiales de baja a alta expansión.

n = razón del modulo de elasticidad de los materiales de baja a alta expansión.

a ₁=coeficiente mas bajo de expansión.

a ₂=coeficiente mas alto de expansión.

T = temperatura

T_o= temperatura inicial de la ligadura.

Los coeficientes de expansión térmica de algunos materiales usados están en la siguiente tabla.

Material	Coeficiente de expansión térmica x °C	Modulo de elasticidad PSI lb/plg²	GN/m²
Invar Latón amarillo Monel -400 Inconel -702 Acero inox. -3/6	1.7x10^-6 2.02x10^-5 1.35x10^-5 1.25x10^-5 1.6x10^-5	21.4x10⁶ 14x10⁶ 26x10⁶ 31.5x10⁶ 28x10⁶	147 96.5 179 217 193

CARACTERISTICAS DE LOS TERMOPARES MENCIONADOS

Los 6 termopares mas frecuentemente usados en la practica son:

Positivo	Tipo	Negativo
Cobre Hierro Cromel Cromel Platino +13% Radio Platino +10% Radio	T J E K R S	Constantán Constantán Constantán Alumel Platino Platino

La clasificación por tipos a sido elaborado por la SAMA y adoptado por la ISA.

Cobre - Constantán (T)

Se utiliza para medir temperaturas entre los -18.5°C a 379°C y son de un precio bajo y ofrecen resistencia a la corrosión en atmósferas húmedas. Pueden ser usados en atmósferas reductoras y oxidantes.

Hierro - Constantán (J)

Se aplican normalmente para temperaturas, que van de -15°C a 750°C, dependiendo de su calibre. Son recomendables para usarse en atmósferas donde existe deficiencia de oxigeno libre. Son recomendables ampliamente en atmósferas reductoras. Como tienen un precio relativamente bajo son muy ampliamente usados para la medición de temperaturas dentro de su rango recomendado.

Cromel - Constantán (E)

Se emplean primordialmente en atmósferas oxidantes.

Cromel - Alumel (K)

El rango de temperatura recomendado es desde los 280°C a 580°C de acuerdo con el calibre del alambre usado. Este tipo de termopares presta un servicio optimo en atmósferas oxidantes aunque también se puede usar en atmósferas reductoras o alternativamente oxidantes o reductoras o siempre y cuando se use un tubo de protección apropiado y ventilado.

Platino - Radio (R y S)

Si se cuenta con una protección adecuada sirven para la medición de temperaturas hasta de 1650°C en atmósferas oxidantes. Estos termopares se contaminan con facilidad cuando se usan en cualquier otra atmósfera por lo que deben ser tomadas algunas precauciones en el caso de usarse en estas condiciones, mediante tubos de protección adecuados. Los vapores metálicos, el hidrogeno y los silicones son veneno para este tipo de termopares.

Sus precios, comparando con los demás termopares discutidos son mas altos y si fem. pequeños por lo que la aplicación de este tipo de termopares esta restringida a altas temperaturas.

Tungsteno - Tungsteno y Renio

Este tipo de termopares es recomendado para las mismas temperatura, que los de tungsteno - renio. La diferencia esta en que provee 3 veces potencia termoeléctrica 1650°C.

Calibración de Termopar

Frecuentemente se tiene que seleccionar un determinado tipo de termopar que seleccionar un determinado tipo de termopar de acuerdo con las necesidades de medición y control de temperatura. La selección, por supuesto, esta basada en varios factores, tales como el rango de temperatura de operación, exactitud requerida, respuesta térmica elevada de fem. y el medio ambiente en que el termopar va a ser instalado.

LIMITE DE TEMPERATURAS PARA TERMOPAR

Tipo de Termopar	Temperatura		Temperatura		Máxima
	Mínima	CAL		CAL	CAL	CAL	CAL
Tipo T, Cobre - Constantán Tipo J, Fierro - Constantán Tipo E, Cromel - Constantán Tipo K, Cromel- Alumel Tipo R y S, Platino - Platino 13% o 10% Radio Platino 30% (Radio 6% - Platino) Iridio 40%, 60% Radio - Iridio Tungsteno - Renio Tungsteno - Tungsteno (26% Renio)	-185 -17 -185 -17 -17 -17 -17 -17 -17	760 870 1260		590 650 1100	260 480 535 980	205 370 425 870 1480 1760 1980 2200 2310	205 370 425 870

Cables de Extensión

El cable de extensión esta constituido generalmente de 2 conductores y esta provisto con una clase de aislante de acuerdo con las condiciones de servicio particulares. Evidentemente en lugar de los cables de extensión que podrían usar los mismos alambres de los cuales consisten los termopares, sin embargo, no seria económico hacerlo ya que por ejemplo:

En el caso de los termopares platino - platino radio el costo de los mismos es elevado por lo cual se usan otros metales para construir los cables de extensión que tienen propiedades termoeléctricas iguales o semejantes al de los termopares originales su objetivo; es extender el termopar hasta la junta de referencia del instrumento.

Tipo de Termopar		Cable de Extensión
		Positivo	Negativo
J	JX	Cobre	Constantán
T	TX	Hierro	Constantán
	KX	Cromel	Alumel
K	VX	Cobre	Constantán
	WX	Hierro
R, S	SX	Cobre	Aleación especial de Cobre - Níquel

Tipo de Termopar	Cable de extensión	Polo Positivo	Polo Sensitivo	Envoltura Exterior
T	TX	AZUL	ROJO	AZUL
J	JX	BLANCO	ROJO	NEGRO
F	FX	AMARILLO	ROJO	AMARILLO
K	KX	CAFÉ	ROJO	ROJO
W	WX	VERDE	ROJO	BLANCO
R, S	SX	NEGRO	ROJO	VERDE

Pirómetros de Radiación

Hasta ahora se ha visto instrumentos que miden la temperatura por calentamiento directo el elemento medidor, los pirómetros de radiación no necesitan estar en contacto intimo con el objeto caliente, el instrumento propiamente dicho es igual al potenciómetro al balance continuo, pero en vez de termopar se usa una termopila. Este aparato utiliza la ley de Stephan Voltzmann de energía radiante lo cual establece que la superficie de un cuerpo es proporcional a la 4ta potencia de su temperatura absoluta:

QB=KT⁴

QB = Energía emitida por un cuerpo

T= Temperatura absoluta (°K)

K= Constante de Stephan Voltzmann = 4.92x10 Kcal/m²

Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge radiante y la conserva sobre una termopila colocada en el foco de la lente (cóncava); generando así una fem. que es medida con un potenciómetro de balance continuo.

Este tipo de aparatos es muy usual en hornos y en la industria metalúrgica donde se mueven lingotes, placas o biletes a temperaturas elevadas la termopila es un grupo de pequeños termopares conectados en serie, cuyas juntas calientes son aplastadas y ennegrecidas, colocadas casi juntas en el centro de un disco como se muestra en la figura.

Para compensar los efectos de la variación de temperatura en la termopila, se agrega una resistencia de níquel en paralelo a la salida la cual aumenta o disminuye la fem. producida, compensando dicha variación.

Pirómetro Optico

Cuando la energía radiante es a la vez luminosa, como sucede con las flamas y los metales fundidos se utiliza un pirómetro óptico, cuyo principio se basa en la variación de la resistencia de una fotocelda al variar la intensidad de la luz a la que esta expuesta.

Este instrumento tiene 2 Fotoceldas conectadas en un circuito electrónico y el galvanómetro es sustituido por un bulbo.

Una fotocelda es expuesta al cuerpo caliente y la otra a una fuente luminosa, normalmente una lampara de filamento de carbón. Al recibir la primera fotocelda el choque de la luz cambia su resistencia de acuerdo a la intensidad de dicha luz variando la corriente de placa del bulbo, Esto hace que aumente o disminuya la corriente de la lampara que ilumina la segunda fotocelda, llevándola inmediatamente en equilibrio con la fotocelda expuesta al objeto caliente.

Normalmente se usan filtros para disminuir los efectos de los gases o vapores interpuestos entre el objeto caliente y el instrumento.

Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge radiante y la conserva sobre una termopila colocad en el foco de la lente; (cóncava) generando así una fem. que es medida con un potenciómetro de balance continuo.

Este tipo de aparatos es muy usual en hornos y en la industria metalúrgica donde se mueven lingotes, placas o biletes a temperaturas elevadas, la termopila es un grupo de pequeños termopares conectados en serie, cuyo juntas calientes son aplastadas y ennegrecidas, colocadas casi juntas en el centro de un disco como se muestra en la siguiente figura.

Termoposo

Es muy importante que el termopar no toque la pared del termoposo.

CRITERIOS QUE SE DEBEN TOMAR PARA LA ELECCION DEL TERMOPOSO

Que sea resistente a la temperatura.
Acción de gases oxidantes y reductores.
Que contengan una conductividad térmica muy alta para hacer una transferencia de energía rápida.
Resistente a los cambios bruscos de temperatura.
Resistente a los esfuerzos mecánicos.
Resistente a la corrosión de vapores ácidos.

MATERIAL DE TERMOPOSOS

Hierro Fundido - Dulce y Acero

Es de reemplazo económico, no justifica la compra de otro. No es muy bueno para atmósferas oxido - reductoras.

Hierro - Cromo

Resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, también se puede usar con ambiente con azufre.

Hierro Cromo - Níquel

Es muy resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, no acepta al azufre.

Acero Inoxidable 304-316

Resistente a la corrosión química, a altas temperaturas y ambiente con amoniaco.

Existen termoposos de vidrio cuando no se aceptan aceros inoxidables, se pueden recubrir con PVC, Tantalio para resistir la corrosión y otros factores.

El vidrio se emplea en atmósferas de benceno, amoniaco, etc.

	Escalas de temperatura aplicables		Exactitud aproximada			Respuesta
Dispositivo	°F	°C	°F	°C		transitorios	Costo	Notas
Termómetro de liquido en vidrio
a. Alcohol	-90 a 150	-70 a 65	± 1	± 0.5	Mala		Bajo	Usados como termómetros baratos para temperaturas bajas.
b. Mercurio	-35 a 600	-40 a 300	± 0.5	± 0.25	Mala		Variable	Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.
c. Mercurio lleno con gas	-35 a 1000	-40 a 550	± 0.5	± 0.25	Mala		Variable	Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.
Termómetro de expansión de fluido
a. Liquido o gas	-150 a 1000	-100 a 550	± 2	± 1	Mala		Bajo	Ampliamente usados en las mediciones industriales de temperatura.
b. Presión de vapor	20 a 400	-4 a 200	± 2	± 1	Mala		Bajo
Cinta bimetálica	-100 a 1000	-70 a 550	± 0.5	± 0.25	Mala		Bajo	Ampliamente usados como dispositivos simples de medición de temperatura
Termómetro de resistencia eléctrica	-300 a 1800	-180 a 1000	± 0.005	± 0.0025	De regular a bueno		Caro	El mas exacto de todos los métodos
Termistor	-100 a 500	-70 a 250	± 0.02	± 0.01	Muy bueno		Bajo	Util para los circuitos compensadores de temperatura; las cuentas termistores pueden obtenerse en tamaños muy pequeños.
Termopar Cobre - Constantán	-300 a 650	-180 a 350	± 0.5	± 0.25	Buena		Bajo
Termopar Hierro - Constantán	-300 a 1200	-180 a 650	± 0.5	± 0.25	Buena		Bajo	Superior en atmósferas reductoras
Termopar Cromel - Alumel	-300 a 2200	-180 a 1200	± 0.5	± 0.25	Buena		Bajo	Resistente a la oxidación a temperaturas altas
Termopar Platino - Platino con 10% de sodio	0 a 3000	-15 a 1650	± 0.5	± 0.25	Buena		Alto	Salida baja; el mas resistente a la oxidación a temperaturas altas
Pirómetro óptico	1200 más	650 más	± 20	± 10	Mala		Medio	Ampliamente usado en medición de temperaturas en hornos industriales.
Pirómetros de radiación	0 más	-15 más	± 0.5 °C bajos alcances, 2.5 a 10°C a alta			Buena	Medio a alto	Aplicaciones en aumento como resultado de los nuevos dispositivos de alta precisión que están en continuo desarrollo

FISICA II

lunes, 12 de septiembre de 2011

MEDICION DE LA TEMPERATURA

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