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U N E X P O

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

PRACTICA N° 5 ELEMENTOS DE TEMPERATURA

Actualizado: Ing. Elvis Morillo (2016)

1. INTRODUCCIÓN La medición de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida quedan definidas en cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesarios; es importante señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección óptima del sistema más adecuado. En esta práctica se estudiarán las principales características de los elementos sensores utilizados comúnmente en la industria para medición de temperatura, como lo son: termopares o termocuplas, termómetros de vidrio, bimetálicos y de llenado. Así mismo se analizará la velocidad de repuesta de los mismos, realizando para ello la simulación en un horno y tabulando las diferentes medidas de temperatura obtenidas en un cierto intervalo de tiempo. 2. OBJETIVOS  Aprender a identificar los elementos primarios de temperatura que se utilizan comúnmente en los procesos industriales  Determinar la rapidez de respuesta de cada uno de los elementos sensores a utilizar en la práctica.  Reconocer los tipos de termocuplas de acuerdo al color de los cables, según el código de colores, y lograr determinar su rango de temperatura.

3. MARCO TEÓRICO El término temperatura es generalmente utilizado para denotar el grado de calor de un cuerpo, y es una forma de energía. En el control de procesos la temperatura de un cuerpo es la intensidad de calor del mismo y está determinada por la habilidad para transferir calor. A continuación

se describen las características más importantes de los elementos

sensores de temperatura que se utilizarán en el laboratorio.

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3.1.Termopares o Termocuplas Se basan en la unión de dos alambres de materiales diferentes a temperaturas diferentes (unión de referencia o fría y unión de medida o caliente) que genera una fuerza electromotriz en milivoltios, la cual es proporcional al valor de la temperatura, como puede apreciarse en la figura 1. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto peltier que provoca la liberación de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperatura.

La unión que más se utiliza entre ambos metales es la soldadura. Los tipos de termocuplas se han establecido de acuerdo a los metales utilizados y pueden determinarse en base a los colores de los cables, según normas internacionales. Los tipos más comunes son:  Termopar tipo E, de cromel-constatán: puede usarse e vacío o en atmosfera inerte o medianamente oxidante. Posee la f.e.m. más alta por variación de temperatura, pudiéndose usar para rangos de -200 a 900°C.  Termopar tipo T, de cobre- constatán: tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede usarse en atmósferas oxidantes o reductoras, se usa preferiblemente para rangos entre -200 a 260°C  Termopar tipo j, de hierro- constatán: es adecuado en atmósferas con escaso oxígeno libre, es el más utilizado en aplicaciones industriales, rangos de -150 a 760 °C en atmósferas oxidantes y hasta 1000 °C en reductoras.  Termopar tipo K, de cromel-alumel: se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 a 1250 °C. No debe ser utilizado en atmósferas 3 Actualizado: Ing. Elvis Morillo (2016)

reductoras ni sulfurosas a menos que esté protegido con un tubo de protección o termopozo.

3.2.Termómetros Bimetálicos.

Consisten en la unión de dos tiras de metales con diferentes coeficientes de dilatación térmica, pero a la misma temperatura, entre las cuales se produce una diferencia de dilatación al ocurrir un cambio de temperatura. Una de las tiras se hace generalmente de una aleación acero- níquel, cuyo coeficiente de expansión es casi cero, y la otra, de un elemento con coeficiente e expansión alto. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices.

En la figura 2 se muestra un termómetro bimetálico. Es de construcción sencilla, pues contiene pocas partes móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o hélice y el propio elemento bimetálico.

3.3.Termómetro de vidrio

Consiste en un tubo de vidrio especial cuyo bulbo contiene un líquido, generalmente mercurio para temperaturas de -38 a 1000°F y alcohol para bajas temperaturas de hasta 80°F. Un gas inerte abarca el espacio por encima del líquido evitando la separación de la columna de líquido. En la figura 3 se muestra un termómetro de vidrio típico.

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3.4.Termómetros de llenado o de bulbo

Consisten en un bulbo sensible, un tubo capilar de interconexión y un elemento sensor como un tubo de Bourdon, fuelle o diafragma. El bulbo puede estar lleno de gas, líquido o vapor. Al variar la temperatura el gas o líquido en el bulbo se expande, y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre una escala para indicar la variación. De acuerdo al sistema de llenado, los termómetros de bulbo pueden ser:  Clase I: Termómetros actuados por líquido los cuales cubren el intervalo de -150 a 750°F si se trata de xileno, y de -38 a 1100°f si se trata de mercurio.  Clase II: Termómetros actuados por vapor, pueden utilizarse en el intervalo de -40 a 600°F.  Clase III: Termómetros actuados por gas, operan en el intervalo de -400 a 1200 °F.

En la figura 4 se presenta este tipo de termómetro. La presión en el sistema depende principalmente de la temperatura del bulbo, pero también de la del capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema.

4. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

4.1.Equipos a utilizar  Elementos de temperatura: termocuplas, termómetro de vidrio, bimetálico y de llenado. 5 Actualizado: Ing. Elvis Morillo (2016)

 Un registrador analógico tipo esfera y un indicador digital de temperatura.  Horno  Ohmímetros, Milivoltímetros.  Información técnica: manuales, tablas de datos, etc.

4.2.Procedimiento y precauciones

a) Identificación de los elementos primarios de medición de temperatura, bajo el asesoramiento del profesor y del técnico de laboratorio. Determinación de las características más importantes. b) Realización de un ensayo práctico tomando tres elementos de temperatura para hacer mediciones en un horno, observando las lecturas dadas por cada uno simultáneamente. Se deben efectuar unas 8 mediciones a diferentes intervalos de tiempo, utilizando algún registrador o indicador de temperatura como elemento de referencia. Se debe tomar la precaución de no exceder la temperatura de 300°C, con la finalidad de permanecer en el rango de trabajo de todos los elementos sensores. c) Identificación del tipo de termocupla empleado, en base al código de colores, utilizando las tablas correspondientes. d) Determinación del instrumento que tiene mayor respuesta al cambio de temperatura, justificación. e) Determinación de las ventajas y desventajas de cada uno de los elementos utilizados. f) Investigar: 

¿Qué es un termopozo? Uso y características que lo definen.



Aplicaciones industriales de los elementos de temperatura.



¿Qué es un termostato y su aplicación?

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4.3.Diagrama de Montaje

4.4.Tabla de Datos Experimentales Tabla Nº 1: Características de los instrumentos del Banco de Prueba Nombre Marca Rango

Apreciación

Tabla Nº 2: Mediciones realizada con los elementos de temperatura TE-1 TE-2 TE-3 TE-4

TE-5

7 Actualizado: Ing. Elvis Morillo (2016)