UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA 1 INFORME Nº 1
MEDICION DE TEMPERATURAS Y CALIBRA C ALIBRACIÓN CIÓN DE INSTRUMENTOS PROFESOR : CHAVEZ LIZAMA FEDERICO INTEGRANTES: MAMANI GUERRERO, Diego Alexis
201420303F
TARAZONA PINEDO, Wilmer Billi
20141371J
UHUINA HUARAZ, Manuel
20110090I
ZERGA MORALES, Sebastian Agustin
20140171G
SECCION: F 2017-II
RESUMEN TECNICO El presente informe está dirigido al Ing. Chávez Lizama Federico, encargado de la dirección de esta experiencia. La experiencia que trata sobre medición y calibración de termómetros fue realizada en el Laboratorio Nº5, Facultad de Ingeniería Mecánica, de la Universidad Nacional de Ingeniería. Realizada la medición de temperatura respectiva que marca cada uno de los termómetros empleados para medir la temperatura de las diferentes etapas de calentamiento del aceite que se utilizó en la experiencia, utilizando un termómetro patrón (instrumento referencial), un termómetro de inmersión total y de inmersión parcial, una termocupla y un termómetro bimetálico. En la experiencia tomamos 10 puntos de temperatura, en cada uno delos instrumentos mencionados, en un rango de 25º C a 70º C, en forma ascendente. Con estos datos obtenidos se realizó la calibración de dichos instrumentos mediante las curvas de error y de corrección, que en resumen nos indicó un mayor error de lectura, respecto al patrón, en el termómetro bimetálico ( ΔTBI=8.0 ΔTBI=8.0ºc máximo) y un menor error en el termocupla ( ΔTERMOCUPLA=2.2ºc ΔTERMOCUPLA=2.2ºc máximo). Por ello recomendamos el uso del termocupla, tanto por su precisión en lectura como por su precisión, también menor fragilidad al uso y versatilidad al medir (portátil); además su fácil instalación.
1. Objetivos
Conocer los diferentes dispositivos utilizados en la medición de temperaturas; saber su forma de uso, características y sus problemas en las mediciones, solucionables con la calibración.
Buscar una expresión matemática aproximada para calibrar los equipos en base de una medición base.
2. Fundamento teórico 2.1.
Calibración 2.1.1. Concepto. La calibración se realiza por el método de comparación contra un termómetro patrón calibrado, en sistemas termales re circulantes 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.
2.1.2. 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.
2.1.3. Corrección y calibración. Fórmula de calibración.
= + . (∆) Donde: : Temperatura corregida. : Temperatura indicada. : Factor de calibración. ∆ : Variación de temperatura.
(1)
2.2.
Instrumentos. 2.2.1. Termocupla. ¿Qué es una termocupla? Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de mili volts el cual aumenta con la temperatura.
Tipos de termocuplas Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J o del tipo K. Termocupla J: Mediciones de 0 a 700 °C. Industria del plástico y goma (extrusión e inyección).
Medición en tambores rotatorios con termocupla de
contacto. Temperatura de motores (carcaza) con termocupla autoadhesiva. Procesos en general donde el sensor está sometido a vibración. Termocupla K: Fundición de metales hasta 1300°C (no ferrosos). Hornos en general. Usar cuando hay que poner las termocuplas en objetos muy delgadas. Por ejemplo: en agujas de una jeringa para tomar temperatura en el interior de una fruta. ¿Por qué usar uno de estos? Las termocuplas J y K junto con los Pt100 son los sensores de temperatura de uso industrial más comunes, económicos y fáciles de reemplazar que existen. ¿Qué es un Pt100? Un Pt100 es un sensor de temperatura hecho con un alambre de platino que a 0 °C tiene 100 ohms y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. Un Pt100 es un tipo particular de RTD. (Dispositivo Termo Resistivo)
¿Cuándo no usar una termocupla? No es recomendable usar termocuplas cuando el sitio de medición y el instrumento están lejos (más de 10 a 20 metros de distancia). El problema de las termocuplas es que suministran un voltaje muy bajo y susceptible a recibir interferencias eléctricas. Además para hacer la extensión se debe usar un cable compensado para el tipo específico de termocupla lo que aumenta el costo de la instalación. Tampoco es recomendable usar termocuplas cuando es necesaria una lectura de temperatura muy precisa (décima de °C) pues la compensación de cero requerida por las termocuplas introduce un error típicamente del orden de 0.5 °C. Otro problema que puede ocurrir con las termocuplas es que alguna contaminación u oxidación en los metales de la unión podría provocar una lectura errónea (hasta 4 o 5 ° C) sin que se detecte la falla. Luego en algunos casos es conveniente verificar periódicamente la precisión de la lectura.
2.2.2. Termómetro de columna. Descripción general de termómetros de líquidos en vidrio. Su operación está basada en la expansión del líquido con el incremento de la temperatura; esto es, el líquido actúa como un 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 en vidrio típico se muestran en la figura 1.
Construcción. Materiales que forman al termómetro: Vidrio, líquido termométrico y gas. Existe una gran variedad de tipos de vidrios, pero no todos son apropiados para el trabajo termométrico. En la actualidad se han desarrollado vidrios termométricos especiales, con buena estabilidad y resistentes a las temperaturas. El líquido termométrico ideal, debería tener las siguientes propiedades físicas y químicas:
Ser líquido en el intervalo nominal del termómetro,
Tener un coeficiente de expansión lineal,
Ser opaco o con color, para su fácil lectura,
No “mojar” por fuerzas adhesivas la superficie del capilar,
Ser químicamente inerte con respecto a otros materiales en el sistema.
Ser químicamente estable,
No ser dañino, para seguridad en manufactura y uso.
Tener un menisco bien definido, para fácil lectura.
El gas, además de reducir la destilación, también reduce el índice de separación de la columna de mercurio dada la presión ejercida por el gas. Así, todos los termómetros para altas temperaturas deben ser llenados con un gas inerte seco tal como nitrógeno presurizado para prevenir separación del mercurio a cualquier temperatura indicada en la escala. Los termómetros de inmersión total graduados sobre los 150 °C deben ser llenados con gas para minimizar la destilación del mercurio de la parte superior de la columna. Para termómetros graduados debajo de los 150 °C el llenado con gas es opcional pero altamente recomendado.
Profundidad de inmersión. Los termómetros de líquido en vidrio 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. Está 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 medida.
Termómetro de inmersión completa. Está 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.
2.2.3. Termómetro bimetálico. Las aleaciones metálicas, la de alto y bajo coeficiente de dilatación, al ser expuestas a determinada temperatura, transmiten un movimiento giratorio a una aguja indicadora, es decir, las variaciones de temperatura causan que el bimetal sufra una deformación, esta se transmite a la aguja indicadora. Los termómetros bimetálicos usan la diferencia de coeficiente de expansión térmica de metales disímiles para poder determinar cuál es el cambio de temperatura. Éste se proporciona mediante un movimiento mecánico, o sea, por el giro de una aguja sobre una escala graduada. Dado que el termómetro bimetálico se fabrica a partir de dos tiras de metal soldadas en frío con diversos coeficientes térmicos de expansión, éstas se tuercen en función de la temperatura y el movimiento rotatorio se transfiere con baja fricción a la aguja indicadora. El uso de los termómetros bimetálicos es muy extenso ya que están diseñados para resistir las condiciones de trabajo más rigurosas, estar en contacto con fluidos de proceso agresivos o ambientes adversos. Gracias
a que son ideales para medir la temperatura directamente, por tanto, las industrias que más los emplean son:
La alimentaria
De conservación
Farmacéutica
Química
Petroquímica
Papelera
3. Equipos
Termocupla. Risher Scientific. Rango: -40,1200 °C.
Termómetro bimetálico. Rototherm. Rango: -30,60 °C
Termómetro de bulbo. Giardino. Rango: -30,60 °C.
Termómetro de bulbo. Rango: -10,250°C.
Termómetro de bulbo. BOECO. Rango: -10,150°C. Tanque de aceite.
Fig. 1 Termómetros de bulbo (Amarillos inmersión total; Blanco inmersión parcial). Termocupla y termómetro bimetálico.
Fig. 2 Tanque de aceite y agitador
4. Procedimiento experimental
Reconocemos entre los termómetros de inmersión que tenemos para separar cuales son de inmersión total y el de inmersión parcial.
Ponemos en funcionamiento el calentador y encendemos el motor que hace girar una paleta dentro de dicho calentador la cual ayuda a que la temperatura en cualquier punto sea la misma y por ello no se produzcan diferentes resultados. Pondremos la velocidad del agitador en low (L)
Para poder medir la temperatura mantenemos prendido el calentador cierto tiempo hasta que el termómetro de la maquina marque como referencia 25°C y se procede a hacer las mediciones.
Para una primera experiencia se hace variar en 5°C más desde la temperatura de 20°C hasta los 70°C.
5. Datos experimentales Tabla 1.
n°
Valores obtenidos. Unidades en grados Celsius °C
TERMÓMETRO PATRÓN TERMÓMETRO INMERSIÓN PARCIAL TERMÓMETRO INMERSIÓN TOTAL TERMOCUPLA TERMÓMETRO BIMETÁLICO
1
25.00
24.00
23.50
24.30
19.00
2
30.00
28.50
26.50
28.20
22.50
3
35.00
33.80
31.00
32.80
27.00
4
40.00
38.20
36.50
39.60
33.50
5
45.00
41.30
41.00
43.60
37.00
6
50.00
48.50
46.50
48.40
42.00
7
55.00
54.00
51.00
54.70
48.00
8
60.00
59.40
56.00
60.00
54.00
9
65.00
65.10
61.00
65.50
60.00
10
70.00
70.50
66.40
71.00
65.00
GRÁFICAS COMPARATIVAS Con el fin de simplificar los nombres, se tendrá en cuenta las siguientes nomenclaturas.
Termómetro patrón = TPA Termómetro de inmersión parcial = TIP Termómetro de inmersión total = TIT Termómetro bimetálico = TBI
6. Graficas comparativas TERMOMETRO PATRON VS TERMOMETRO DE INMERSIÓN PARCIAL (TPA-TIP) Gráficos elaborados por los alumnos del grupo F2, de la sección F, del curso de Laboratorio de Ingeniería Mecánica 1, y dirigido por el Ing Chavez Lizama. Condiciones ambientales:
Presión atmosférica=1017.4hPa
Temperatura ambiente=18ºC Tabla 2. Comparación entre los valores de TPA y TIP. Unidades en °C
N°
TPA
1
TIP
TPA-TIT
%Δ
25.00
24.00
1.00
4.17
2
30.00
28.50
1.50
5.26
3
35.00
33.80
1.20
3.55
4
40.00
38.20
1.80
4.71
5
45.00
41.30
3.70
8.96
6
50.00
48.50
1.50
3.09
7
55.00
54.00
1.00
1.85
8
60.00
59.40
0.60
1.01
9
65.00
65.10
-0.10
0.15
10
70.00
70.50
-0.50
0.71
TERMOMETRO PATRON VS TERMOMETRO DE INMERSIÓN TOTAL (TPA-TIT) Gráficos elaborados por los alumnos del grupo F2, de la sección F, del curso de Laboratorio de Ingeniería Mecánica 1, y dirigido por el Ing Chavez Lizama. Condiciones ambientales:
Presión atmosférica=1017.4hPa
Temperatura ambiente=18ºC Tabla 3. Comparación entre los valores de TPA y TIT. Unidades en °C N°
T PA
T IT
T PA-T IT
%Δ
1
25.00
24.00
-1.00
4.17
2
30.00
28.50
-1.50
5.26
3
35.00
33.80
-1.20
3.55
4
40.00
38.20
-1.80
4.71
5
45.00
41.30
-3.70
8.96
6
50.00
48.50
-1.50
3.09
7
55.00
54.00
-1.00
1.85
8
60.00
59.40
-0.60
1.01
9
65.00
65.10
0.10
0.15
10
70.00
70.50
0.50
0.71
TERMOMETRO PATRON VS TERMOMETRO DE INMERSIÓN TOTAL (TPATERMOCUPLA) Gráficos elaborados por los alumnos del grupo F2, de la sección F, del curso de Laboratorio de Ingeniería Mecánica 1, y dirigido por el Ing Chavez Lizama. Condiciones ambientales:
Presión atmosférica=1017.4hPa
Temperatura ambiente=18ºC Tabla 4. Comparación entre los valores de TPA y TERMOCUPLA. Unidades en °C
T ERM OCUPLA T PA-T ERM OCUPLA
%Δ
N°
T PA
1
25.00
24.30
0.70
2.88
2
30.00
28.20
1.80
6.38
3
35.00
32.80
2.20
6.71
4
40.00
39.60
0.40
1.01
5
45.00
43.60
1.40
3.21
6
50.00
48.40
1.60
3.31
7
55.00
54.70
0.30
0.55
8
60.00
60.00
0.00
0.00
9
65.00
65.50
-0.50
0.76
10
70.00
71.00
-1.00
1.41
TERMOMETRO PATRON VS TERMOMETRO DE INMERSIÓN TOTAL (TPATERMOMETRO BIMETALICO) Gráficos elaborados por los alumnos del grupo F2, de la sección F, del curso de Laboratorio de Ingeniería Mecánica 1, y dirigido por el Ing Chavez Lizama. Condiciones ambientales:
Presión atmosférica=1017.4hPa
Temperatura ambiente=18ºC Tabla 5. Comparación entre los valores de TPA y TBI. Unidades en °C TBI
TPA-TBI
%Δ
19.00
6.00
31.58
30.00
22.50
7.50
33.33
3
35.00
27.00
8.00
29.63
4
40.00
33.50
6.50
19.40
5
45.00
37.00
8.00
21.62
6
50.00
42.00
8.00
19.05
7
55.00
48.00
7.00
14.58
8
60.00
54.00
6.00
11.11
9
65.00
60.00
5.00
8.33
10
70.00
65.00
5.00
7.69
N°
TPA
1
25.00
2
Gráfica 5. Cuadro de comparación de todos los instrumentos.
N°
TPA
ΔTIP
ΔTIT
ΔTERMOCUPLA
ΔTBI
1
25.00
1.00
1.50
0.70
6.00
2
30.00
1.50
3.50
1.80
7.50
3
35.00
1.20
4.00
2.20
8.00
4
40.00
1.80
3.50
0.40
6.50
5
45.00
3.70
4.00
1.40
8.00
6
50.00
1.50
3.50
1.60
8.00
7
55.00
1.00
4.00
0.30
7.00
8
60.00
0.60
4.00
0.00
6.00
9
65.00
-0.10
4.00
-0.50
5.00
10
70.00
-0.50
3.60
-1.00
5.00
7. Observaciones
Durante el ensayo se tomó en cuenta que la temperatura adecuada para trabajar sea por debajo de los 80°C, esto variando la resistencia del tanque de aceite.
Se observa que la temperatura del termómetro bimetálico se encuentra más alejado que el resto con respecto al termómetro patrón que se consideró, si se evalúa esos cálculos son cerca de 9°C de alejamiento con un error del 20% con respecto al termómetro patrón.
Cuando comparamos la temperatura del termómetro de inmersión parcial y el de inmersión parcial versus la temperatura del patrón esta resulta ser una gráfica similar a una ojiva.
Analizando al termómetro de inmersión total esta refleja que es menor a la temperatura que marca el termómetro patrón al igual que el de inmersión parcial.
Si comparamos entre el termómetro de bulbo entre inmersión parcial y el de inmersión total llegamos a observar que el de inmersión parcial se acerca más a la lectura del patrón con un error de 2°C mientras que el de inmersión total varia regularmente entre [2°C y 5°C].
Analizando el grafico de la termocupla y el patrón notamos que esta se aproxima a una línea recta constante con un error de 4.8% si promediamos los errores en las mediciones de la termocupla.
En el termómetro bimetálico observamos que a partir de la tercera medición de temperatura este presenta una corrección positiva constante, para nuestro caso esa corrección es de 9.
En la curva de corrección del termómetro de inmersión parcial podemos observar que esta tiene mayores cambios con picos altos y bajos, lo cual podemos especificar que es la que más corrección representa.
En el gráfico de inmersión total observamos que para las 3 primeras medidas sugiere una corrección mayor, mientras que en las siguientes mediciones varia parcialmente y en 2 ocasiones las correcciones se comportan de manera constante (error 4).
Si analizamos el grafico de la termocupla notaremos que para los 2 primeros valores hubo una corrección pequeña y a medida que seguíamos midiendo los errores disminuían conforme llegando a 1,2 de error el cual es el más bajo.
8. Conclusiones
Concluimos que los termómetros como la termocupla y el bimetálico son factibles para la medición, es de mejor manejo en cierto modo, las mediciones se hacen al instante y todo parece indicar, por tanto, que la combinación de seguridad, exactitud y coste se ha decantado objetivamente del lado de la tecnología digital como la termocupla.
Los termómetros de inmersión total a diferencia de los termómetros de inmersión parcial presentan mayor error, en cambio los de inmersión parcial están más próximos al patrón, sin embargo, la medida de este puede ser relativa ya que frecuentemente se elige el termómetro” patrón” como base (termómetros de mercurio).
Según nuestra experiencia el termómetro bimetálico presento mayores errores con respecto al termómetro patrón y la termocupla con un índice de error no muy alto y cercano al patrón.
Analizando al termómetro bimetálico observamos que los datos son más alejados del patrón resultándonos este con un error del 19,18% si promediamos los errores de este termómetro.
Finalmente hablando de la exactitud podemos concluir que un termómetro puede ser más eficiente que otro o más exacto ; entonces es aquí cuando hicimos la experiencia nos resultó de manera efectiva la termocupla y con un tanto de error el bimetálico , pero no descartamos a los termómetros de mercurio que también están por esas medidas con respecto al patrón , en cualquier caso elegimos a los termómetros digitales ya que nos muestra de manera rápida , eficaz la temperatura a diferencia de las demás, ahora siguiendo la base de investigación de los termómetros podemos mencionar a una cámara termo grafica el cual ya nos da los valores de temperatura según una imagen mediante rangos de colores y de manera eficaz , más didáctica y analizable ; por tal concluimos que el avance tecnológico en cuestiones de medición de temperatura abre las puertas a múltiples posibilidades entre ellos financieros, de eficiencia y sobre todo el tiempo que puede ser optimizado.
9. Recomendaciones
Se recomienda hacer las mediciones con los termómetros de manera simultánea y que la lectura sea instantánea para que no varié ni un grado más como en el caso de la termocupla.
Otra recomendación importante es que para los termómetros de bulbo se tenga cuidado al momento de insertar dentro del fluido ya que si no se sujeta adecuadamente este puede escapar al fondo del recipiente ocasionando problemas.
Se recomienda también hacer la lectura cada 1°C, nosotros lo tomamos entre 5ºC por cuestiones de tiempo, pero si considera la recomendación de menor grado de variación de temperatura su experimento tendrá mayor aplicación, mejores gráficas y por supuesto útil en la interpretación.
10. Bibliografía
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-bimetalicosy-su-modo-de-funcionamiento-3516632.htm
