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• Luis Gustavo Viguria Baldeon

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

INFORME DE LA SEGUNDA PRÁCTICA DE LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA I

MN412 Título: Mediciones de Temperatura Grupo: 1 Integrantes: Alberti Mays, Ronald Arturo

(20160011E)

Araoz Salinas, Julio Enrique

(20160601G)

Chavez Castillo, Alvaro Jose

(20164009E)

Castillo Salinas, Gilmer Rai

(20162215G)

Huaricacha Cunya, Salin Kevin

(20160622D)

Viguria Baldeón, Luis Gustavo

(20151139B)

Docente: Morales Taquiri, Oswaldo Morla Sección: G Fecha de realización: 10 de septiembre de 2018 Fecha de presentación: 17 de septiembre de 2018 Lima, 2018

HOJA DE DATOS:

2

Mediciones de Temperatura Huaricacha Salin, Chávez Alvaro, Castillo Gilmer, Viguria Luis, Araoz Julio y Alberti Ronald. Universidad Nacional de Ingeniería - Facultad de Ingeniería Mecánica – MN412 G

RESUMEN—El presente informe tiene como objetivo calibrar los termómetros y conocer los distintos tipos de termómetros según sus características particulares. Para la calibración de los termómetros se usó un Termómetro de bulbo de inmersión total como termómetro patrón, no se usó una termocupla porque solo había uno en funcionamiento y estaba siendo usado por el otro grupo. De los otros tres termómetros se obtuvo su curva de calibración. Estos termómetros son los de inmersión total, inmersión parcial y bimetálica; en el fundamento teórico podemos apreciar la descripción de cada uno de ellos y la forma correcta de cómo usarlos.

B. Calcular y comparar los errores de medida de cada termómetro. C. Aprender la manipulación de cada tipo de termómetro.

En la parte de los gráficos, con los datos de temperatura obtenidos en el laboratorio se procede a hacer las curvas de calibración para cada tipo de termómetro, son 3 tipos de graficas en donde se puede apreciar la desviación que hay con el termómetro patrón, así podremos saber cuánto es lo que marca realmente un termómetro o cuál es su porcentaje de error al momento de usarlo en la industria.

“Cuando un cuerpo se pone en contacto con otro que está a una temperatura diferente, el calor se transfiere del que está caliente al frio hasta que ambos alcanzan la misma temperatura, es decir se encuentran en equilibro térmico”. Es mediante este principio que se fundamenta la Ley cero de la termodinámica, la cual establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. Y su importancia radica en que esta sirve como base para la validez de la medición de la temperatura mediante los termómetros y el uso de distintos materiales y sus propiedades físicas.

Tal como se observa en las gráficas el comportamiento de las curvas es aproximadamente lineal. De las mismas se concluye que el Termómetro de Bulbo de Inmersión Total es el que más se aproxima al comportamiento del termómetro patrón y por lo tanto es la más aproximada. Para una mejor medición de la temperatura, usar lo menos que sea posible el termómetro bimetálico, pues como vemos en la gráfica Temperatura vs Lectura patrón, este presenta una mayor desviación (error). En los gráficos de corrección y error presenta desviaciones mayores a 5, mucho más que en los otros tipos de termómetros.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO A. Temperatura Se puede definir la temperatura como el grado de energía térmica mediante una escala definida. La temperatura de un cuerpo es su intensidad de calor, o sea la cantidad de energía que puede ser transferida de un cuerpo a otro. Es una medida de la energía cinética promedio de las partículas que componen a un sistema.

Dentro de las 5 escalas de temperatura, en el SI de unidades, la unidad estándar de temperatura es el grado Kelvin (K) y su punto de referencia es el cero absoluto. A continuación véase la equivalencia entre las distintas escalas.

I. INTRODUCCIÓN La calibración de termómetros es importante en el ámbito comercial debido a que muchas veces se tienen termómetros que no marcan la misma temperatura y de los cuales no se puede obtener una medición confiable. A causa de este problema, se procede a calibrar termómetros manteniendo uno como patrón, este patrón marca la temperatura real del fluido de estudio. Al obtener las medidas de los otros termómetros con respecto al termómetro patrón, se puede saber que temperatura es la que en verdad debería marcar haciendo uso de sus respectivas curvas de calibración. II. OBJETIVOS A. Calibrar los termómetros respecto a un termómetro patrón.

Fig. 1.

Escalas de temperatura.

B. Medición de la temperatura En la actualidad es posible utilizar una variedad de dispositivos de medición para la temperatura; termómetros de líquido en vidrio (LIG), termopares (TC), termistores, detectores de temperatura de resistencia (RTD), etc. por lo cual los métodos de medición son variados; sin embargo, se puede especificar a un procedimiento comúnmente empleado en el laboratorio. Después de insertar un sensor de

3

temperatura en el área que se desea medir, hay que esperar un tiempo hasta que se estabilice la lectura de la temperatura. Para que el termómetro se estabilice en la temperatura correcta, la sonda debe sumergirse lo suficiente. Algunos termómetros requieren más profundidad de inmersión que otros. Asimismo, la exactitud de la medida muchas veces dependerá de la sensibilidad del material y fenómeno físico que caracteriza al termómetro empleado. Por ello, es importante reconocer los tipos de termómetros más comúnmente usados. C. Tipos de inmersión Cada tipo de termómetro se fabrica para leer valores correctos a una determinada profundidad de inmersión, y así se dividen en termómetros de inmersión total, parcial o completa. 1) Termómetros de Inmersión Total Este tipo de termómetros están graduados por el fabricante para dar lecturas correctas cuando el bulbo y la parte de varilla que contiene el líquido termométrico están totalmente inmersas en el medio isotermo. Pese a su nombre, no es recomendable que esté inmerso el segmento de la varilla por encima del menisco. El calentamiento de esta parte a altas temperaturas daría lugar a un aumento excesivo de la presión del gas, produciendo lecturas erróneas y en ocasiones daños permanentes en el bulbo. 2) Termómetros de Inmersión Parcial En muchas circunstancias el uso de termómetros de inmersión total es difícil o imposible. Por ello se utilizan termómetros cuya escala está diseñada para dar lecturas correctas cuando se hallan sumergidos a una profundidad específica. No es necesario realizar ningún tipo de corrección por columna emergente cuando se usan en las condiciones especificadas.

D. Tipos de termómetros 1) Termómetros de vidrio Funciona por la dilatación de un líquido alojado en un bulbo, que se visualiza en un capilar cuyo pequeño diámetro permite apreciar grandes variaciones de la longitud del fluido dilatado para un determinado volumen, 𝑉 (m3). La expresión del volumen total del fluido encerrado es: 𝑉 = 𝑉0 (1 + 𝛼∆𝑇)

(1)

, donde 𝛼 es el coeficiente de dilatación volumétrica en °𝐶 −1 . Los tipos de termómetro de vidrio que encontramos son: De inmersión total: se sumerge toda la columna de líquido de medición. De inmersión parcial: se sumergen en el líquido hasta la profundidad especificada. La parte restante del cuerpo (emergente) queda expuesta al aire

2) Termómetro bimetálico Por medio de la contracción y expansión de dos diferentes aleaciones metálicas de alto y bajo coeficiente de dilatación que, al ser expuestos a una misma temperatura, transmite un movimiento giratorio a la aguja indicadora de la escala graduada indicada en una escala graduada (carátula). Los termómetros bimetálicos comerciales usualmente utilizan una configuración helicoidal o espiral en el elemento sensor o bimetal.

3) Termómetros de Inmersión Completa Un tercer tipo, y también el menos común, corresponde a aquellos termómetros que están diseñados para dar lecturas correctas cuando todo él está inmerso en el medio termométrico. La precisión de estos termómetros es inferior a la de los otros dos tipos, debido entre otros al hecho de no poder visualizar bien el menisco.

Fig. 3. Termómetro bimetálico

Fig. 2. Termómetros de inmersión parcial, total y completa (de izquierda a derecha).

3) Termocupla Los termopares son sensores de temperatura que miden la temperatura generando una pequeña señal de voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre las uniones de dos metales diferentes (Efecto Seebec). Una unión (la unión de medición) suele estar revestida en una sonda de

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sensor en el punto de medición; la otra unión (la unión de referencia) suele estar conectada al instrumento de medición. El instrumento de medición mide dos cosas: la señal de voltaje y la temperatura de la unión de referencia. A partir de esas dos cosas, el instrumento computa la temperatura en el extremo medidor de la sonda. Es importante tener en cuenta que el voltaje generado por el sensor no se basa en la temperatura absoluta de la unión de medición, sino más bien en una diferencia de temperatura entre la unión de medición y la unión de referencia.

Fig. 4. Termocupla tipo "J". Existe una variedad de tipos de Termocuplas encontrándose entre las más usadas las de tipo J y K, empleados en la industria de fundición a baja y alta temperatura respectivamente.

D. Calibración de Temperatura La calibración de un termómetro consiste en la comparación de un patrón trazable con el termómetro mediante un método validado y acreditado. Al calibrar los termómetros estamos aportando niveles de fiabilidad y seguridad en los procesos donde la medición resultante del uso del instrumento tenga lugar.

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. IV. MATERIALES O EQUIPOS TABLA I ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS A USAR Equipo o material Sistema de Calibración de termómetro electrónico 2 termómetros de bulbo con mercurio de inmersión total (uno será elegido como termómetro patrón). Termómetro de bulbo con mercurio de inmersión parcial. Termómetro del tipo bimetálico.

Especificaciones Marca: ERTECO – TCS Volts: 230 V. Estado: Operativo. Fluido de trabajo: Agua De rangos: -10 a 150°C aprox 1°C (Termómetro patrón). -10 a 360°C aprox 1°C. Rango: -10 a 250°C aprox 1°C Rango: 0 aprox1°C

a

150°C

V. PROCEDIMIENTO A. Se coloca los termómetros en el sistema de calibración electrónico, cuyo material de trabajo es el agua, en forma correspondiente tanto los de inmersión total como los de inmersión parcial.

A partir de los métodos definidos para la escala ITS-90, se establecen los dos métodos para calibrar termómetros: el de puntos fijos y el método de comparación. 1) Método del punto fijo 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 cuarzovidrio, 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 0.07m. 2) Método de 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

Fig. 5. Termómetros colocados en el sistema de calibración.

B. Con el termostato graduamos la temperatura a la cual llegara el sistema (se produce un aumento de temperatura). C. Encendemos el calibrador y elegimos una temperatura máxima, luego de llegar a la temperatura máxima el sistema se mantendrá a una temperatura constante.

3

TABLA II LECTURAS DE CADA TERMOMETRO Temperatura de prueba (°C)

Termo. Parcial (°C)

Termo. Total (°C)

Termo. Bimetálico (°C)

30

Termo. TotalPatrón (°C) 31

30

31

24

35

36

35

36

29

40

41

40

40

33

50

51

50

50

43

60

61

60

60

54

70

71

70

70

64

Fig. 6. Temperatura máxima elegida. Graficamos todos los puntos obtenidos: D. Esperamos a que el sistema llegue a su temperatura máxima determinada esto queda establecido por lo ya marcado en el termostato.

Gráfica de temperaturas

80

70

1) Termómetro de inmersión total (patrón). 2) Termómetro de inmersión total. 3) Termómetro de bulbo de inmersión parcial. 4) Termómetro bimetálico.

Temperaturas(ºC)

E. Procedemos a tomar las lecturas de los termómetros: 60 50 40

 I. Parcial  I.Total(Patrón)  I. Total

30

F. Con ello obtendremos puntos que nos servirá para construir nuestras gráficas.

 Bimetàlico 20 25

G. Luego procedemos a buscar otro punto para las gráficas con un aumento de temperatura de 5ºC o 10ºC del sistema lo cual se logra graduando nuevamente el termostato.

35

45

55

65

75

Mediciones Fig. 7. Grafica de mediciones de latemperaturas de cada termómetro.

H. Repetimos los pasos D, E y F hasta obtener suficientes puntos para construir nuestras curvas de calibración. A partir de los datos obtenidos se procede a realizar la I. Finalmente se procede a construir las gráficas en función a los datos reales obtenidos en el instrumento patrón.

calibración de los termómetros para lo cual se define las variables Lectura del termómetro a calibrar (𝐿𝑖), Lectura patrón (𝐿𝑝) y Error (Ɛ), los cuales se definen mediante

VI. CÁLCULOS, RESULTADOS Y GRÁFICOS En la siguiente tabla se muestran las lecturas de temperatura tomadas simultáneamente por 4 termómetros: 2 Termómetros de Inmersión Total (1 cómo Patrón), Termómetro de Inmersión Parcial y Termómetro Bimetálico.

Ɛ = 𝐿𝑖 − 𝐿𝑝

(2)

Asimismo, para cada calibración se elaboran tres gráficos dónde se compara 𝐿𝑖 vs 𝐿𝑝 y Ɛ vs 𝐿𝑝 .

4

A. Calibración del Termómetro de Inmersión Total

B. Calibración del Termómetro de Inmersión Parcial

1) Graficamos una curva con las temperaturas obtenidas del termómetro Inmersión Total respecto al termómetro patrón.

1) Graficamos una curva con las temperaturas obtenidas del termómetro Inmersión Parcial respecto al termómetro patrón.

Termo. I. Total vs Patrón I. Total (ºC)

60

Termo. I. Parcial vs Patrón 70

I. Parcial(ºC)

80 50

60 31

40

40

36

20

80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

51 36

20

40

60

71

41

30

0 0

61

20

80

40

60

80

Lectura Patrón(ºC)

Lectura Patrón (ºC) Fig. 8. Grafica Termómetro I. Total Vs Termómetro Patrón

Fig. 11. Grafica Termómetro I. Parcial Vs Termómetro Patrón

2) Graficamos una curva que represente la corrección de cada lectura del termómetro de Inmersión Total.

2) Graficamos una curva que represente la corrección de cada lectura del termómetro de Inmersión Parcial.

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

-0.5 -1 -1.5

Lectura del termo. de i. total (°C)

Fig. 9. Grafica de las correcciones del termómetro de inmersión total para cada lectura. 3) Graficamos una curva que represente el error en cada medida del termómetro de Inmersión Total.

Correccion vs Temo.de Inm. Parcial 1.5 1 0.5 0 -0.5 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 -1 -1.5

Lectura del termo.de i. parcial(°C)

Fig. 12. Grafica de las correcciones del termómetro de inmersión total para cada lectura. 3) Graficamos una curva que represente el error en cada medida del termómetro Inmersión Parcial.

Error del Termómetro de I. Parcial vs medición 1.5

Error del Termómetro de I. Total vs medición Error del T. de I. Total

CORRECION DEL TERMO. I. PARCIAL ( °C)

0

1.5

Error del T. de I. parcial (ºC)

CORRECION DEL TERMO. I. TOTAL (°C)

Correccion vs Temo.de Inm. Total

1

0.5

1 0.5

0

-0.5

0 1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

-1

-1.5

Fig. 10. Grafica de los errores del termómetro inmersión total para cada medición.

Fig. 13. Grafica de los errores del termómetro de inmersión parcial para cada medición.

5

C. Calibración del Termómetro Bimetálico.

VII. CONCLUSIONES

Bimetálico (ºC)

1) Graficamos una curva con las temperaturas obtenidas del termómetro Bimetálico respecto al termómetro patrón.

Termo. Bimetálico vs Patrón

70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20

64 54 43 29

33

24 0

20

40

Lectura Patrón (°C)

60

80

Fig. 14. Grafica Termómetro Bimetálico Vs Termómetro Patrón.

CORRECION TERMO. BIMETALICO (°C)

2) Graficamos una curva que represente la corrección de cada lectura del termómetro bimetálico.

7

7

Uno de los termómetros estaba roto, pero como solo fue en la parte superior (fuera del alcance del mercurio que mide), entonces no afecta considerablemente en el error de la medición.

Se usó como sustancia de trabajo agua líquida debido a que es la sustancia de trabajo que utiliza el sistema de calibración electrónico ERTCO. 6

6

IX. RECOMENDACIONES

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Lectura termo. bimetalico (°C) Fig. 15. Grafica de las correcciones del termómetro bimetálico para cada lectura.

3) Graficamos una curva que represente el error en cada medida del termómetro Bimetálico.

Error del Termómetro bimetálico vs medición Error del T. bimetálico (ºC)

VIII. OBSERVACIONES

7

6

-5.5 -6

Para una mejor medición de la temperatura, usar lo menos posible el termómetro bimetálico, pues como vemos en la gráfica Temperatura vs Lectura patrón, este presenta una mayor desviación (error). En los gráficos de corrección y error presenta desviaciones mayores a 5, mucho más que en los otros tipos de termómetros por lo tanto el termómetro bimetálico es el que genera más error a la hora de hacer una lectura de la temperatura.

No se usó una termocupla en su lugar se usó un sistema de calibración electrónico marca ERTCO dado que el termocupla estaba siendo usado por el otro grupo.

Correccion vs Temometro Bimetalico

7.2 7 6.8 6.6 6.4 6.2 6 5.8

Tal como se observa en las gráficas el comportamiento de las curvas es aproximadamente lineal. De las mismas se concluye que el Termómetro de Bulbo de Inmersión Total es el que más se aproxima al comportamiento del termómetro patrón y por lo tanto es la más aproximada.

1

2

3

4

5

6

Las temperaturas medidas por cada tipo de termómetro suelen ser diferentes, por eso se recomienda que se establezca una lectura patrón para medir el error absoluto que presentan las lecturas de los otros termómetros con respecto al patrón. Tener cuidado al momento de sacar los termómetros, debido a que estos están calentados debido al recipiente rígido el cual miden la temperatura. Se recomienda que una vez el sistema haya alcanzado su temperatura máxima se proceda a tomar las lecturas, tratando de no demorarse demasiado en las lecturas, para así evitar el enfriamiento del sistema. Cabe resaltar además que, para obtener una medida más precisa en nuestros cálculos, no todos los instrumentos tienes el mismo tiempo de respuesta, por eso es que no debe acelerarse mucho la toma de medidas, sino que debemos esperar un minuto aproximadamente antes de tomar las medidas.

-6.5 -7 -7.5

Fig. 16. Grafica de los errores del termómetro Bimetálico para cada medición.

X. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. [1] Temperatura. Cortés, M., Garibay, L. Apuntes para la asignatura de instrumentación. Instituto Politécnico Nacional. México.

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[2] Temperatura y Ley cero de la termodinámica. Yunes A. Cengel, Michael A. Boles. Termodinámica. (7th ed.). Editorial: Mc Graw Hill. [3] Fluke Calibration. Medición y calibración de la temperatura: Lo que todo técnico en instrumentos debería saber. Biblioteca Digital de Fluke. Recuperado de download.flukecal.com/pub/literature/11798-spa-01-A.pdf el 28 de marzo de 2018. [4] Álvarez, E. Mediciones de Temperatura, Termómetros e Introducción. p. 1-2. Recuperado de http://laboratorios.fi.uba.ar/lscm/termometros.pdf el 28 de marzo de 2018. [5] Infra Metrón. Selección de termómetros bimetálicos. México. Recuperado de: http://www.metron.com.mx/metron/descargas/cursos/CURS O%20Seleccion%20termometros%20bimetalicos.pdf el 23 de septiembre de 2018. [6] INACAL (2015) La escala internacional de temperatura de 1990 (ITS-90). Perú: 1-16. Recuperado de http://www.inacal.gob.pe/repositorioaps/data/1/1/5/jer/bolet inmetrologia/files/ITS_1990_2015_INACAL.pdf el 28 de marzo de 2018. [7] Seymour, J. Mediciones de temperatura. El Laboratorio del Ingeniero Mecánico. Ed. H.A.S.A. 1962. [8] Manual de laboratorio de Ingeniería Mecánica. Universidad Nacional de Ingeniería. [9] Nicholas and White: Traceable Temperatures: An Introduction to Temperature Measurements Wiley (1994). [10] Turner J. and Hill M. Instrumentation for Engineers and Scientists. Oxford (1999). [11] Benyon R., De Lucas J., Esteban P.: Curso Básico de Medida de Temperatura (1994) [12] Practical Temperature Measurements, Application Note 290. Hewlett Packard. [13] Measuring Temperature with Thermocouples- a Tutoria, Application Note 043 National Instruments. [14] Guía para la expresión de la incertidumbre de medida. (Versión española editada por el CEM de Junio de 1998)

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