Resumen Esta experiencia se basa en la medición de temperatura por medio de una Termocupla y un tester de distintas soluciones, y en la preparación de una Termocupla. Los sistemas analizados fueron agua con hielo, agua hirviendo y estaño fundido. En todas ellas se midió la temperatura
En este experimento se realizó el experimento de fabricación de una termocupla mediante dos cables metálicos. Estos cables van finamente soldados en un extremo y totalmente separados sin tocarse en el otro extremo y en el cuerpo entero del cable usando un separador de cables cerámico dejando los extremos separados salidos del separador uno 3 cm. Previamente se midió el potencial de voltaje de los cables con un voltímetro para saber cuál era positivo y cual negativo Estos cables se conectaron a un tipo de enchufe para poder medir la diferencia de voltaje. Luego en el horno se fundió estaño con temperatura de fusión conocida introduciendo la termocupla dando esta un valor de voltaje correspondiente Luego se hirvió agua y se procedió de igual manera con la termocupla Luego se puso agua con hielo y se realizó el mismo procedimiento. De los 3 casos, el horno, el agua hirviendo y el agua con hielo la temperatura de fusión es conocida.| La temperatura de fusión del estaño es 232°C la temperatura de fusión del agua hirviendo es aproa 100°C(dependiendo de la altura en la cual se realizó el experimento) y la temperatura de fusión del agua con hielo es aproa 0°C Luego estudiando estos 3 datos se puede obtener un sensor de temperatura haciendo una extrapolación de datos entre la temperatura de fusión y los voltajes medidos con la termocupla que es lo que se verá en la parte de desarrollo de este experimento.
1. Objetivos Generales:
Comprender el sistema de medición mediante una Termocupla Realizar diferentes mediciones en diversas soluciones y encontrar una ecuación
que
nos
permita
visualizar
gráficamente
la
relación
temperatura vs voltaje.
Específicos:
Aprender a medir temperaturas mediante una termocupla. Aprender a armar una termocupla. Aprender a convertir voltaje en temperaturas para obtener la medición de la muestra.
2. Introducción Teórica El Pirómetro termoeléctrico o termocupla, es un instrumento que fue diseñado para utilizar en la medición de temperaturas muy elevadas, en hornos específicamente consiste de algunas partes complejas que deben ser mencionadas y conocidas para poder hacer un análisis de lo hecho en este laboratorio. Primero debemos saber que consta de las siguientes partes y esta mostrado en la imagen 2.1:
El funcionamiento de este pirómetro se basa en dos principios: El termopar, compuesto de dos metales o aleaciones diferentes, El bloque de empalmes, situado cerca y fuera del horno, Los cables de extensión, El instrumento indicador o registro.
Imagen 2.1 Partes de una Termocupla
Para comprender el funcionamiento de este instrumento debemos mencionar los efectos que se producen llamados:
Efecto Peltier es el que ocurre cuando 2 alambres metalicos de diferente composición se ponen en contacto eléctrico, se producirá o habrá una fuerza electro motriz FEM a travez de la punta de contacto la magnitud de esta se determina po la temperatura a la que se encuentra la punta de unión y la composición de los alambres
Efecto Thomson Si ocurre una diferencia de temperatura entre los extremos de un alambre homogéneo único (estremo interior horno, y extremo exterior horno) habrá una FEM entre estos extremos, la magnitud en este caso se determina por la composición la uniformidad química y a diferencia de temeratura.
Lo que ocurre en la termocupla son dos FEM de Peltier en las uniones caliente y frio y dos FEM Thompson a lo largo de los alambres, y a este fenómeno se le denomina efecto Seebeck. Como mencionamos loas alambres deben ser de distintas composiciones, y en termocuplas ya existen tipos de combinaciones de alambres que tienen distintos características y condiciones de eficiencia. Existen la combinación Platino, latino-rodio al 10%, Cobre -Constantán, Hierro - Constantán y Cromel Alumel La combinación utilizada y analizada en este laboratorio fue la de CromelAlumel, el Cromel que tiene composición 90% de Niquel y 10%Cromo, y el Alumel de composición 94% Niquel, 3% Manganeso, 2% Aluminio y 1% Silicio. Se utiliza en industria mayormente esta, el cromel en oposición al alumel, ya que tiene una curva de calibración bastante lineal lo que disminuye mucho el error asociado a las mediciones en la práctica, y además tiene buena resistencia a la oxidación, muy importante para que no se dañe el instrumento. Su intervalo más eficiente es de 1200°F a 2200°F. La termocupla debe cumplir especificaciones en su construcción, como por ejemplo la unión de los alambres en el extremo, las formas correctas están mostradas en la imagen 2.2.
Imagen 2.2 Unión de los alambres A continuación en la imagen 2.3 se muestran varios ejemplos de recubrimientos de termocuplas, la diferencia entre uno y otro es simplemente
por el uso que se utilizara y que especificaciones técnicas se necesitan para estos instrumentos.
Imagen 2.3 Recubrimientos de Termocupla
3. Procedimiento Experimental Materiales:
Crisol con estaño puro Hervidor Agua Hielo Cubeta Horno de resistencia Termocupla tipo K Empalmes caseros (Alambres) Tester Vaso Precipitado Mercurio Alicate
Para comenzar se arman 3 sistemas para luego analizarlos por medio de la medición con un tester: 1. Estaño puro: en un crisol se inserta Estaño puro con punto de fusión de 232°C y luego se inserta en un horno de resistencia equipado con un pirómetro óptico. La termocupla al estar en contacto con el estaño caliente, genera una fuerza electromotriz que es transmitida a través de empalmes y cables de extensión a un registrador que transforma la fuerza electromotriz e indica la temperatura. El registrador le indica a la Termocupla una temperatura determinada a la que debe llegar (punto de
fusión del estaño), esto provoca que el horno se conecte y desconecte hasta alcanzar la temperatura indicada. Al alcanzar la temperatura de fusión, se retira el crisol con estaño del horno y por medio de un tester conectado a un empalme casero se determinan los mV del sistema. La medida a considerar se toma cuando se comienza a formar sólido, ya que esta es la temperatura en la que coexisten líquido y sólido. 2. Agua en Ebullición: con un hervidor se calienta agua hasta ebullir, luego se retira la tapa y se conecta nuevamente hasta la ebullición, para tener un cálculo más certero. Luego se mide con el tester los miliVolts del sistema. 3. Agua con Hielo: en una Cubeta se introduce agua y hielo, y mediante un tester unido a un empaste casero se calcula la temperatura del Agua con Hielo. Para realizar estos análisis se necesita de una termocupla casera que se produce de la siguiente forma: 1. Primero se pasan dos almbres por los orificios de un tubo de Alumina (material aislante) con el objetivo de que no se toquen. 2. En un vaso precipitado con Mercurio (que actúa como conductor) se introducen los alambres, esto genera un arco entre la punta de la termocupla y el otro electrodo sumergido en el mercurio. 3. Finalmente por medio de un alicate se le da la forma final a la punta de la termocupla y luego enrollando en la parte de atrás cada alambre a un cable del tester se puede proceder a calcular los mV de algún sistema.
4. Análisis de Datos Las medidas de Temperatura corresponden a datos teóricos de los sistemas y las medidas de voltaje fueron calculadas mediante Tester. Esto se expresa en la tabla 4.1 y luego en la Grafica se muestran los datos de Temperatura en Grados Celsius versus el Voltaje.
Agua con Hielo Agua Hirviendo Estaño Fundido
Temperatura (C°) 0 100 232
mVolt -0.5 3.2 8.4
Tabla 4.1: Temperatura Teorica y voltaje mediante Tester
C° vs. mV 9 8
f(x) = 0.04x - 0.55 R² = 1
7 6 5 4 3 2 1 0
0
50
100
150
200
250
-1
Grafico 3.1: Ajuste lineal de Relación Temperatura vs. Voltaje
Del gráfico se desprende la siguiente Regresión Lineal:
mV =0,0384∗T −0,5 513 Esta regresión presenta la curva de calibración obtenida de la experiencia.
5. Conclusiones
Para fines prácticos la experiencia se realiza con un metal puro y no una aleación, ya que las aleaciones no tienen una única temperatura de fusión. Bajo estas condiciones también es posible realizar la experiencia con un Eutectico producto de que en estos materiales se pasa de líquido a solido a una sola temperatura. Las medidas en miliVolt son proporcionales a la diferencia de temperatura, esto se identifica al calentar la punta del empaste luego se haber sido introducida en el agua con hielo, el tester aumenta gradualmente la medición de mV a medida que transcurre el tiempo. Producto de que los cables del tester no son de Cromel-Alumel se genera un pequeño desfase en la curva, esto se identifica en el sistema
Agua-Hielo ya que el tester marca un valor de -0,5 mV cuando el valor entregado debería ser 0 mv, esta diferencia es mínima por lo que el resultado es concluyente. Esto nos significara que la curva no inicie en 0. Las mediciones deben ser en contacto con la punta del empaste, ya que de otra forma se produce un corto circuito y el Tester o la Termocupla entregan un resultado incorrecto.
