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• GuzmanPomaGiovanny

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LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA I

ÍNDICE I.

INTRODUCCIÓN.................................................................................... 2

II. OBJETIVOS............................................................................................ 3 III.

FUNDAMENTO TEÓRICO ................................................................... 3

IV.

EQUIPOS E INSTRUMENTOS .............................................................. 9

V.

PROCEDIMIENTO ............................................................................ 12

VI.

CÁLCULOS Y RESULTADO ................................................................ 14

VII.

RECOMENDACIONES ....................................................................... 17

VIII.

CONCLUSIONES ............................................................................ 18

IX.

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................. 18

X. ANEXOS .............................................................................................. 19

MEDICIÓN DE TEMPERATURA

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I.

INTRODUCCIÓN

Como parte de nuestro aprendizaje a lo largo de nuestra preparación universitaria vemos en la necesidad de ir familiarizándonos con la instrumentación requerida durante nuestra vida profesional; esto es saber su funcionamiento y la calibración adecuada de estos así como su correcta lectura, lo que hace imprescindible el desarrollo del presente curso que nos introduce a este campo práctico.

El presente informe abarca el estudio de los instrumentos de medición de temperatura como son las termocuplas, bimetálicos, así como la familiarización con los termómetros de inmersión total y los de inmersión parcial.

Sin embargo debido a que la lectura de la instrumentación es un tanto incierta debido a la precisión y a la antigüedad de los instrumentos, aun así se trató de tomar la mayor atención a las mediciones, así que procuramos que fueran los más exactos posibles para obtener resultados más fiables y así cumplimos con el objetivo.

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II.

OBJETIVOS

 Diferenciar el uso de un termómetro de inmersión parcial con uno de inmersión total.  Aprender a tomar una correcta lectura de los termómetros evitando los errores.  Calibrar termómetros de diferentes tipos, teniendo como patrón a uno de ellos.  Obtener las curvas de calibración de los instrumentos usados.

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO

1. TERMÓMETRO DE BULBO Su operación está basada en la expansión del líquido con el incremento de la temperatura; esto es, el líquido actúa como transductor, convierte la energía termal en una forma mecánica. Con el incremento de la temperatura, el líquido y el vidrio del termómetro se expanden con diferente coeficiente de expansión, causando que el líquido avance por el tubo capilar. Las partes principales de un termómetro de líquido de vidrio típico se muestran en la figura 1.

Fig. 1. Termómetro de bulbo.

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El menisco es usado como el indicador. La forma del menisco es: para el mercurio, la parte superior de la curva, para líquidos orgánicos, la parte inferior. Cuando las fuerzas adhesivas son mayores que las fuerzas cohesivas, el menisco tiende a ser cóncavo como en el caso de vidrio y líquidos orgánicos. Por otra parte cuando las fuerzas cohesivas son superiores a las adhesivas, el menisco es convexo como en el caso de mercurio en vidrio.

Fig. 2. Forma de meniscos.

PROFUNDIDAD DE INMERSIÓN Los termómetros de bulbo son usualmente utilizados para la medición de la temperatura de fluidos. La elección del tipo de inmersión depende de la medición requerida, la profundidad del fluido y el tipo de montaje.  TERMÓMETRO DE INMERSIÓN PARCIAL Diseñado para indicar la temperatura correctamente cuando el bulbo y una porción específica de la columna están inmersos en el medio a la temperatura que va a ser medida.  TERMÓMETRO DE INMERSIÓN TOTAL Diseñado para indicar la temperatura correctamente cuando el bulbo y toda la columna del líquido (unos cuantos milímetros por arriba del nivel del líquido) están inmersos en el medio a la temperatura que va a ser

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medida depende de la medición requerida, la profundidad del fluido y el tipo de montaje. TERMÓMETRO DE INMERSIÓN COMPLETA Diseñado para indicar la temperatura correctamente cuando todo el termómetro, incluyendo la cámara de expansión están expuestos en el medio a la temperatura que va a ser medida.

Fig. 3. Tipos de inmersión.

CALIBRACIÓN La calibración se realiza por el método de comparación contra un termómetro patrón calibrado, en sistemas termales recirculantes con líquido, sales o lecho fluidizado y la medición directa de los puntos fijos secundarios de fusión del hielo o ebullición del agua. Dependiendo de la exactitud que se desea obtener, se utiliza un termómetro de resistencia de platino u otros tipos de termómetros trazables y con baja incertidumbre de calibración.

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EXAMEN VISUAL Una razón de la inspección visual es detectar columna de mercurio separada o pequeñas bolitas de mercurio a lo largo de la columna capilar, oxidación o fallas en el vidrio que puedan perjudicar las lecturas del termómetro o fisuras en el vidrio. La escala es también examinada, grosor de las líneas, desigualdad en las divisiones, graduaciones borrosas

Fig. 4. Lectura del termómetro de bulbo.

PUNTOS DE CALIBRACIÓN Un termómetro debe ser calibrado en todo su intervalo, incluyendo un punto de referencia (si lo incluye el termómetro). Usualmente son calibrados en puntos distribuidos uniformemente en el intervalo de indicación la escala principal. El número de puntos depende del intervalo, división “mínima” de la escala y exactitud deseada. El intervalo entre los puntos de calibración no debe ser innecesariamente pequeño o demasiado largo que destruya la confiabilidad en correcciones interpoladas en valores de temperatura entre los puntos de calibración. Se recomienda sean distribuidos cada 40 a 100 divisiones, hasta 40 para patrones y hasta 100 para ordinarios.

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2. TERMOCUPLA Este La base para el funcionamiento de las termocuplas o termopares es el efecto Seebeck, este efecto fue descubierto y estudiado por Thomas Johann Seebeck (1770-1831) mientras soldaba dos metales diferentes pudo observar que se daba una diferencia de voltaje con la diferencia de temperaturas en los extremos. Ambos metales sometidos a las mismas temperaturas en un extremo pero separadas y protegidas en el otro extremo. Ambos metales conectados por los extremos protegidos nos dará una diferencia de voltaje.

Fig. 5. Diferencia de potencial entre extremos metálicos.

El voltaje que resulta se aproxima a un polinomio de grado 5 a 9 dependiendo del tipo de metales expuestos así se puede obtener a partir de una tabla obtenida experimentalmente el voltaje y temperatura a la que están expuestas. Los diferentes tipos de termopares se debe al trabajo a realizar por estas la escala de temperatura a medir, unas que llegan a los 1200°C otras que necesitan llegar a -270°C como: -Tipo K: Tienen un rango de temperatura de –200 °C a +1372 °C y una sensibilidad 41 µV/°C. -Tipo E: Uso a bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C. -Tipo J: su rango de utilización es de –270/+1200 °C. Problema de rápida oxidación. -Tipo T: Ideales para mediciones entre -200 y 260 °C tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C. MEDICIÓN DE TEMPERATURA

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-Tipo N: no son tan caras por no tener platino resistente a la oxidación y trabajan a altas temperaturas.

Fig. 6. Termocuplas.

3. TERMÓMETRO BIMETÁLICO El termómetro bimetálico está basado en la dilatación térmica de los metales aprovechando el cambio de dimensiones y al estar relacionado linealmente con la diferencia de temperatura se puede predecir la temperatura a base de su longitud Dos láminas de distintos metales unidas por un lado sometidas a la misma temperatura al alargarse uno más que el otro genera torsión y esto es aprovechado para los termómetros bimetálicos.

Fig. 7. Dilatación en termómetro bimetálico.

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Para aprovechar este efecto de los dos metales hay diferentes diseños pero los más comunes son los de espiral, estos al generar torsión tratando de desarrollarse o contraerse mueven una aguja que está apuntando a una temperatura ya calibrada.

Fig. 8. Termómetro bimetálico en espiral.

IV.

EQUIPOS E INSTRUMENTOS

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Fig. 9. Instrumentos utilizados en la experiencia.

Termómetro de inmersión total de rango [-10, 150°C] con aproximación de 1°C.

Termómetro de inmersión parcial de rango [-10,250°C] con aproximación de 1°C.

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Termómetro bimetálico de marca “ROTO THERM” de rango [10,120°C] con aproximación de 1°C.

Termómetro digital marca “FISHER SCIENTIFIC” de rango [-40,1200°C] grados centígrados.

Tanque de pruebas marca “AMINCO”

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V.

PROCEDIMIENTO

PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICION DE LOS TERMOMETROS: Se establece la función que va a cumplir cada termómetro. De los cuatro, uno debe ser el de inmersión total, otro de inmersión parcial, un bimetálico y una termocupla. Una vez encendido el sistema de calentamiento del aceite, se enciende también el agitador con la finalidad de que el aumento de temperatura sea uniforme en todo el volumen. Se toma la primera medida. La primera medida fue a: 40º C según el termómetro patrón, que fue la termocupla. Luego se realizan las mediciones de los termómetros simultáneamente.

MEDICIONES CON EL TERMÓMETRO DE INMERSIÓN PARCIAL En primer lugar se debe verificar la escala y los valores máximos y mínimos. Al momento de tomar la medida se debe tener cuidado en sacar el termómetro del aceite, esta se debe hacer muy rápido debido al cambio brusco de temperatura (con la del ambiente) distorsionando el valor leído.

MEDICIONES CON EL TERMÓMETRO BIMETALICO Con este termómetro para utilizarlo, se debe introducir por la parte más delgada al sistema de calentamiento para que este pueda medir dicha temperatura. Cuando se apague el sistema fijada a la temperatura que marque el termómetro patrón se debe de retirar y en su parte circular se debe de mirar cuanto marca y anotarlo.

MEDICIONES CON EL TERMÓMETRO DE INMERSIÓN TOTAL El termómetro de inmersión total se emerge hasta la marca que se encuentra su mayor temperatura y el termómetro de inmersión parcial hasta una marca que posee en su tubo de vidrio.

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Al finalizar se debe cada 5ºC a partir de la temperatura de 15, tomando apunte de todas las lecturas de todos los termómetros a calibrar.

Fig. 10. Instalación de los Instrumentos para realizar la experiencia.

Tabla 1: Datos de las mediciones obtenidas en la experiencia.

TERMOCUPLA INMERSION INMERSION BIMETALICO °C PARCIAL TOTAL °C °C °C 39 37,5 32 40 45 45,5 44 38 50 50 48,5 42 55 55 53,5 47 60 60 59 52 65 65 64 58 Tºambiente=25 °C

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VI.

CÁLCULOS Y RESULTADO

En el laboratorio usamos la termocupla como instrumento de medida patrón. Ahora pasamos a calibrar los demás instrumentos de medición.

TERMOCUPLA Y TERMOMETRO DE INMERSION PARCIAL

Tabla 2: Datos obtenidos con la termocupla y el termómetro de inmersión parcial.

TERMOCUPLA INMERSION °C PARCIAL °C 39 40 45 45,5 50 50 55 55 60 60 65 65

% ERROR 2,5 1,1 0 0 0 0

Fig. 11. El factor de corrección del termómetro de inmersión parcial es 1,02.

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TERMOCUPLA Y TERMOMETRO DE INMERSION TOTAL

Tabla 2: Datos obtenidos con la termocupla y el termómetro de inmersión total.

TERMOCUPLA INMERSION °C TOTAL °C 37,5 40 45 44 50 48,5 55 53,5 60 59 65 64

% ERROR 6,25 2,22 3 2,72 1,66 1,53

Fig. 12. El factor de corrección del termómetro de inmersión total es 1,04.

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TERMOCUPLA Y BIMETALICO

Tabla 3: Datos obtenidos con la termocupla y el bimetálico.

TERMOCUPLA BIMETALICO °C °C 32 40 45 38 50 42 55 47 60 52 65 58

% ERROR 20 15,555 16 14,54 13,33 10,769

Fig. 13. El factor de corrección del bimetálico es 1,01.

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Fig. 13. Grafica de las temperaturas con respecto a la temperatura patrón.

VII.

RECOMENDACIONES

 El uso del agitador es necesario, para que todo el volumen de aceite este prácticamente a la misma temperatura, si no hay uno disponible tenemos que esperar prudentemente unos minutos para que las temperaturas se equilibren en el aceite.  El elemento patrón debería ser calibrado recientemente (cada 6 meses aproximadamente), ya que esto permitirá un menor margen de error.  Evitar el contacto del termómetro de bulbo que toma la medida de la temperatura ambiente, ya que esto generara una toma muy errada  Tener cuidado al momento de colocar los termómetros en los agujeros del recipiente, para que estos no lleguen a soltarse y quebrarse

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VIII.

CONCLUSIONES

 Se considera a la termocupla como patrón por ser un elemento electronico  El instrumento de inmersión parcial es el que comete menos error respecto al instrumento base (termocupla)  El termómetro bimetálico es el que mas se desfasa respecto al instrumento base.

IX.

BIBLIOGRAFÍA

Libros:  ARIAN control e instrumentación [en línea]: ¿Que son y cómo funcionan las termocuplas? Santiago, Chile: Fundación Chile, 1989[fecha de consulta: 9 Setiembre 2016]. Disponible en: http://www.arian.cl/  MetAs & Meteorólogos Asociados [en línea]: Termómetros de Líquido en Vidrio. Jalisco, México, 1999- [fecha de consulta: 9 Setiembre 2016]. Disponible en: http://www.metas.com.mx/  QuimiNet.com [en línea]: Los termómetros bimetálicos y su funcionamiento. [fecha de consulta: 9 Setiembre 2016]. Disponible

en:

https://www.quiminet.com/articulos/los-

termometros-bimetalicos-y-su-modo-de-funcionamiento3516632.htm

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X.

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