UNIVERSIDAD
PRIVADA DEL NORTE
LAUREATE INTERNATIONAL UNIVERSITIES
TEMA:
“MEDIDOR DE TEMPERATURA CON UNA TERMOCUPLA J” ASIGNATURA:
Automatización Industrial DOCENTE:
Ing. Raúl Paredes Rosario INTEGRANTES: ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔
ALCÁNTARA SÁNCHEZ, JORGE D’ANGLÉS MANTILLA, DIANA MEZA WENZEL, MARLON PÉREZ MANTILLA, ANA LUCÍA RAMÍREZ BRENIS, JOSÉ MANUEL SÁNCHEZ CARRANZA, ALEJANDRO
Trujillo – Perú 2009
PREPARACION PREPARACION DE CIRCUITOS DE MEDIDA DE VARIABLES DE PROCESOS INDUSTRIALES
MEDIDOR DE TEMPERATURA CON UNA TERMOCUPLA “J” Tod Toda a indu indust stri ria a requ requie iere re de una una alta alta dosi dosiss de tecn tecnol olog ogía íass de la información. La utilización de las computadoras en sus más diversas formas formas resulta resulta fundam fundament ental al en activi actividade dadess rel relaci aciona onadas das con contro controll automático de procesos, así como también de supervisión y operación local y remota. La medición de temperatura es uno de los tantos aspectos que esta incluido en la supervisión, sea esta local o remota. Los transdu transducto ctores res más utiliz utilizado adoss son los infrarr infrarrojo ojoss y los lla llamad mados os “termocupla”.
1. Principio Principi o de Funcionamiento Funciona miento De todos los termómetros, las termocuplas son los más veloces en medir e indi indica carr la temp temper erat atur ura a fina final, l, de 2 a 5 segu segund ndos. os. En este este ca caso, so, la temperatura se lee en una pantalla analógica. Estos termómetros miden la temperatura en el punto de conexión de dos alambres finos colocados en la punta de la sonda. Los termoc termocupl uplas as que se usan usan en los laborat laboratori orios os cientí científic ficos os poseen poseen sondas muy finas, similares a las agujas hipodérmicas, mientras que otro otross pued pueden en tene tenerr sond sondas as tan tan grue gruesa sass co como mo de 1/16 1/16 de pulg pulgad ada a (alr (alred eded edor or de 16 mm). mm). Esto Estoss term termóm ómet etro ross se pued pueden en ca cali libr brar ar para para mayor precisión.
TERMOCUPLA Una Una term termoc ocup upla la es un tran transd sduc ucto torr de temp temper erat atur ura, a, es deci decir, r, un dispositivo que traduce una magnitud física en una señal eléctrica. Está compue compuesta sta por dos ala alambr mbres es de me metal tales es difere diferente ntes, s, los que unidos unidos convenientemente generan entre sus extremos libres una diferencia de potencial proporcional a la diferencia de temperatura entre ellos.
EFECTO F.E.M. SEEBECK Su funcionamiento, se basa en un descubrimiento hecho por Seebeck en 1821: si se sueldan dos metales diferentes, cuyos extrem extremos os están están a distin distintas tas temper temperatur aturas, as,
aparece una f.e.m. (llamada f.e.m Seebeck). Posteriormente, se mostró que está f.e.m proviene en realidad de dos efectos diferentes: •
Uno resultante sólo del contacto entre dos metales disímiles y la temper temperatu atura ra de dicha dicha unión. unión. Este Este es el lla llamad mado o Efecto Efecto Pe Pelti ltier er el cual es debido a la difusión de electrones desde el conductor con mayor densidad electrónica al de menor densidad.
•
Otro, debido a los gradientes de temperatura a lo largo de los conductore conductoress en el circuito. circuito. Este es el llamado Efecto Thompson Thompson el cual ual es debi debido do al fluj flujo o de ca calo lorr entre ntre los extre xtrem mos de los los conductores, que es transportado por los electrones, induciendo entonces una f.e.m. entre los extremos de los mismos.
TERMOCUPLA TIPO J (Fe - CuNi) CuNi) La term termoc ocup upla la Tipo Tipo J es la co cono noci cida da co como mo la term termoc ocup upla la hier hierro ro constantán. El hierro es el conductor positivo, mientras que para el conductor negativo se recurre a una aleación de 55 % de cobre y 45 % de níquel (constantán). Las termoc termocupl uplas as Tipo Tipo J result resultan an satisf satisfact actori orias as para para uso contin continuo uo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760º C. Por enci encim ma de 540º C, el alam alambr bre e de hier hierro ro se oxi oxida rápi rápida dam mente ente,, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su
vida en servicio. La ventaja fundamental de la termocupla Tipo J es su bajo costo.
1. Ecuacion Ecua ciones es relevant rele vantes es Fórmula de Ganancia del Amplificador Operacional Podemos definir de manera informal a un amplificador operacional como un circuito electrónico, generalmente se obtiene en forma de circuito integrado o chip, que consta de dos entradas (V+ y V-) y una sola salida (Vout). Esta salida es la diferencia entre las dos entradas, multiplicada por un factor de potencia, que a lo largo de estas páginas llamaremos G. Por lo tanto: Vout (Salida)= G x (V+ - V-) Vouy (Salida)= I max * (Rajuste + Rinterna) El símbolo de un MONOLITICO es el mostrado en la siguiente figura:
Los terminales son:
V+: entrada no inversora
V-: entrada inversora
VOUT: salida
VS+: alimentación positiva
VS-: alimentación negativa
Ley de Ohm La Ley
de
eléctrica que
Ohm establece circula
por
que
"La intensidad de
un conduc conductor tor
eléctr elé ctrico ico es
la corriente dire direct ctam amen ente te
prop propor orci cion onal al a la difere diferenci ncia a de potenc potencial ial aplica aplicada da e invers inversame amente nte proporcional
a
la resistencia del mien smamperios o", se (A) pued puede e I = Intensidad Intensidad
matemáticamente en lasiguiente ecuación: de potencial V = Diferencia en voltios (V) ó (U)
R
= Resistencia en ohmios (Ω).
expr expres esar ar
PARA
CIRCUITO
DE
MEDICIÓN
DE
TEMPERATURA
CON
TERMOCUPLA U MAX = URajuste + URint = Imax*(Rajuste + Rint)
1. Características Caracterí sticas metrológicas de la variante seleccionada seleccio nada ERROR DE MEDICIÓN ERROR DE MEDICION CONVENCIONAL (ABSOLUTO) (∆X)conv
=
Xm
−
Xe ⇒
∆X =
Xm
−
X
∆ X = Error de medición Xm = Valor medido X = Valor real
• • •
Error relativo real: Relación εx =
∆X
X
entre
*100[ %]
=
el X
m
−
X
error X
y
el
valor
verdadero,
es
un
valor
porcentual.
*100[ %]
CLASE DE PRECISION DE UN INSTRUMENTO DE MEDIDA Indica el error relativo límite en % que afecta la medición. Normalmente el valor de la clase de precisión lo establece y garantiza el fabricante del instrumento de medición. c=
(∆X)máx Xmáx
* 100[ %]
TESTEO 1:
Medidor de T° con TC
Termómetro de alcohol
Tº termómetr o (Xv) 98 90 60 82 94 98 100 102 170 180 142 126 > 200 PROMEDIO
E. absoluto ( T) 3 5 10 2 4 3 0 4 30 30 38 24
CLASE DE PRECISIÓN
C=
9.50%
SPAN DE MEDIDA
( 0 - 400 ) ° C
RANGO DE MEDICIÓN
( 50 - 300 ) °C
SENSIBILIDAD
39.130-(7.89) 700-(-200)
Tº indicador (Xm) 95 85 50 80 90 95 100 98 200 210 180 150 300
DIAMETRO DEL ALAMBRE APROPIADO
3mm y 1 mm
12.75
0.05224
E. Relativo 3.16% 5.88% 20.00% 2.50% 4.44% 3.16% 0.00% 4.08% 15.00% 14.29% 21.11% 16.00%
9.14%
mV °C
Las mediciones se llevaron a cabo con midiendo distintos puntos de ebullición:
AGUA
MIEL DE ABEJA
RON TESTEO 2: Para la segunda segunda prueba mejoramos mejoramos la calibraci calibración ón del instrumento instrumento regu regula land ndo o el pote potenc nciióm ómet etro ro mul multivue ivuelltas tas para para que que nos nos de resultados más exactos al momento de realizar la medición de temperatura. Medidor de T° con TC Tº indicador (Xm) Aproximadame nte 180 80
Termómetro de alcohol Tº termómetro (Xv)
E. absoluto ( T)
E. Relativo
182 78
2 2
1.11% 2.50%
60 90 200 150 100 98 170 50 110 190 300
62 88 196 142 100 102 162 46 106 178 > 200 PROMEDIO
2 2 4 8 0 4 8 4 4 12
3.33% 2.22% 2.00% 5.33% 0.00% 4.08% 4.71% 8.00% 3.64% 6.32%
4.333333
3.60%
CLASE DE PRECISIÓN
C=
3.00%
SPAN DE MEDIDA
( 0 - 400 ) ° C
RANGO DE MEDICIÓN
( 50 - 300 ) ° C
SENSIBILIDAD
39.130-(-7.89) 700-(-200)
0.05224444 4
mV °C
Como se observa se disminuyó la incertidumbre y la precisión de clase en el segundo testeo, por lo que la calibración y método de medición anterior eran inadecuados.
CUADRO LINEAL TEMPERATURA VS VOLTAJE Para tomar los datos se requirió la ayuda de un Multitester, con el cual se midió el voltaje voltaje que generaba la termocupla termocupla (la medición medición se realizó directamente de la bornera) al momento que tomaba la temperatura de una llama de fuego.
0.946111 Voltaj taje Tempera eratura Coeficiente de Correlación - R 93 mV T° 0 T° Ambiente 20 360 14 300 10.7 280 9.5 250 GRAFICA 8.3 220 6.8 200 5.7 180 5.1 150 4.5 120 1. Esquema sque ma de funci f uncionam onamien iento to 3.7 100 2.60 < r < 1, existe 50una correlación positiva; es decir, Si existe una relación directa entre la temperatura medida y el voltaje registrado.
que ma de de montaj mon taje e 2. Esquema El Protoboard, o tableta experimental, es una herr herram amie ient nta a que que nos nos perm permit ite e interconectar elementos electrónicos, ya sean resistencias, capacitores res, semi semico cond nduc ucto tore res, s, etc. etc. sin sin la necesidad de soldar las componentes. El pro protobo toboar ard d está stá lleno leno de orificios metalizados con cont contac acto toss de pres presió iónn- en los los cuales se insertan las com ompo pone nent ntes es del del circui rcuito to a ensamblar. Sirve para probar las conexiones antes de soldarlas.
El Batería indicador es un deanalógico 9 voltios de instrumento que nos corriente continua, utilizada muestra como fuente la deescala voltajede para calibración de nuestra nuestro proyecto. variable a medir, este indicador posee una resistencia interna y una aguja que oscila adoptando un comportamiento lineal
Piezas de ensamble: • • •
•
Baquelita Amplificador Amplificador de señal Regulador de voltaje a 5v 7805 Bornera (Conector Termocupla)
Conexiones de los terminales de la Termocupla tipo “J”, los cables de alimentación alimentación de voltaje, el regulador de voltaje 7805, el amplificador amplificador de señal de la termocupla y el indicador analógico.
1. Costo estimado estimad o del instrumento ✔
✔
✔ ✔ ✔ ✔
✔ ✔
Conector Batería 0.50 Termocupla 40.00 Bornera Batería 5 Resistencias Miliamperímetro 4.00 Regulador 5 voltios Baquelita Universal
S/ S/ S/ 1.00 S/ 3.00 S/ 0.50 S/ S/ 1.50 S/ 1.00
S/ 51.50 1. Aplicaci Apli caciones ones industri indu striale ales s Fabricación de piezas de aluminio por extrusión La extrusión es un proceso tecnológico que consiste en dar forma o moldear una masa haciéndola salir por una abertura especi especialm alment ente e dispue dispuesta sta para para cons co nseg egui uirr perf perfil iles es de dise diseño ño complicado. Se consigue mediante la utilización de un flujo continuo de la materia prima, prima, generalmente prod produc ucto toss metal etalúr úrgi gico coss o plás plásti tico cos. s. La Lass ma mate teri rias as prim primas as se someten a fusión, fusión, transporte, presión y deformación a través de un molde según sea el perfil que se quiera obtener. El aluminio debido a sus propiedades es uno de los metales que máss se util má utiliz iza a para para prod produc ucir ir vari variad ados os y co comp mpli lica cado doss tipo tiposs de
perf perfil iles es que que se usan usan prin princi cipal palme ment nte e en las las co cons nstr truc ucci cion ones es de carpinterí carpintería a metálica metálica.. Se pued puede e extr extrui uirr tant tanto o alum alumin inio io prim primari ario o como secundario obtenido mediante reciclado. El proceso de extrusión de aluminio Las características fundamentales del proceso son las siguientes: Un lingote caliente, cortado de un tocho largo (o, para diámetros pequeños, de una barra extruida más grande), se aloja dentro de un contenedor caliente, normalmente entre 450 ºC y 500 ºC. A esta estass temp temper eratu atura ras, s, la tens tensió ión n de fluj flujo o de las las alea aleaci cion ones es de aluminio es muy baja, y aplicando presión por medio de un pistón hidráulico (ariete) el metal fluye a través de una matriz de acero situada en el otro extremo del contenedor. Este proceso da, como resultado, un perfil cuya sección transversal viene definida por la forma de la matriz. Principio de la extrusión Tod Todas as las las alea aleaci cion ones es de alum alumin inio io pued pueden en ser ser extr extrui uida das, s, pero pero algunas son menos adecuadas que otras, ya que exigen mayores presiones, permiten sólo velocidades bajas de extrusión y/o tienen acabad acabado o de superf superfici icie e y comple compleji jidad dad de perfil perfil menore menoress de las deseadas. La potencia de empuje de las prensas varía desde unos pocos cientos de toneladas hasta 20.000 toneladas, aunque la mayoría están en el rango comprendido entre 1.000 y 3.000 toneladas. El diámetro de los tochos de extrusión va desde 50 mm. hasta 500 mm. con una longitud de entre 2 y 4 veces el diámetro. Aunque la mayoría de las prensas tienen contenedores cilíndricos, algunas los los tien tienen en rect rectan angu gula lare ress para para la prod produc ucci ción ón de perf perfil iles es co con n secciones anchas y de pequeño espesor.
Procedimiento para la producción de poliolefinas en un reactor autoclave. Se presenta un proceso mejorado para la producción de poliolefinas en un reactor de auto autocl clav ave e que que teng tenga a dife difere rent ntes es zonas zonas de reac reacci ción ón que que func funcio ionan nan a una una pres presió ión n de entre 100 y 300 mpa y a una temperatura de entr entre e 100 100 (gra (grado dos) s) y 300 300 (gra (grado dos) s) c. Durante el funcionamiento, las temperaturas se mide miden n de form forma a co cont ntin inua ua dent dentro ro del del reactor de autoclave en puntos específicos dist distri ribu buid idos os a lo larg largo o de la long longit itud ud del del reac reacto tor. r. Ca Cada da una una de las las temp temper erat atur uras as medidas se compara con una temperatura
presel preselecc eccion ionada ada corres correspon pondie diente nte y la desvi desviaci ación ón detect detectada ada entre entre cada par de temperaturas preseleccionadas y medidas se utiliza en la regulación de la cantidad de monómero y de iniciador suministrado al interior de la autoclave a través de varias entradas del suministro distribuidas a lo largo de la longitud del reactor, para minimizar las desviaciones de temperatura y de esta forma obtener un control mejorado del proceso de polimerización.
DESTILACIÓN Destilación es el proceso de separar vapor de un líquido por ebullición y desp despu ués co cond nde ensar nsar el vapor apor.. El frac fracci cion onam amie ient nto o vien viene e a ser ser la sepa separac ració ión n por por dest destil ilac ació ión. n. Si una una me mezc zcla la de vari varios os hidr hidroc ocarb arburo uros, s, digamos butano, pentano y hexano, se envía a un sistema donde se separen en recipientes cada hidrocarburo en función de su presión de vapor se logrará tener butano, pentano y hexano separados en sus respectivos tanques de almacenamiento, se dice que la mezcla ha sido separada o fraccionada. El crudo es precalentado en circuitos de intercambiadores de calor y posteriormente ingresa al horno hasta lograr temperatura óptima para obtener en la torre de destilación diferentes productos de hidrocarburos que se comercializan, tales como gasolinas, kerosene, diesel petróleos industriale industrialess (Residuale (Residuales), s), asfaltos asfaltos etc. Cada uno de estos estos productos, productos, es una mezcla que contiene muchos hidrocarburos puros. Mediante el control adecuado de los procesos de destilación se pueden elaborar productos refinados que satisfagan especificaciones bastante rígidas tales como punto de inflamación, rango de ebullición, viscosidad, etc. La aplicación de un medidor de temperatura en rangos de 0º a 500º aplica al control de las variables de temperatura de este proceso; dado
que en la columna de destilación se identifican mediciones en esta escala.
Presión y Destilación Los parámetros de presión y temperatura son fundamentales en los procesos de destilación, la condición de operación bajo la cual funciona la torre de destilación cae dentro de uno de estos grupos: destilación a pres presió ión n atmo atmosfé sféri rica ca,, dest destil ilac ació ión n al vací vacío o o dest destil ilac ació ión n a ma mayo yore ress presiones.
Presión de Vapor Un reci recipi pien ente te ce cerr rrad ado o co con n líqu líquid ido o y some someti tido do a ca calo lor, r, por por efec efecto to calorífico se inicia el desprendimiento de moléculas de la superficie del líquido, como vapor hasta un momento determinado en que se equilibra la cantidad de moléculas que salen y retornan a la superficie del líquido. Al instalarse un manómetro la lectura corresponderá a la presión de vapor del recipiente. El equilibrio líquido-vapor corresponde a una cantidad definida de calor suministrada al sistema, sí se aumenta o disminuye calor se originará un nuevo estado de equilibrio. En los hidrocarburos, el metano tiene mayor presión de vapor que el etan etano, o, el etano tano mayor ayor pres presiión de vapo apor que que el prop propan ano, o, y así así sucesivamente. Si en un recipiente se tiene una mezcla de metano y butano, el metano se sepa separa ra rápi rápida dame ment nte e de la me mezc zclla debi debido do a la gran gran dife difere renc ncia ia existente entre las presiones de vapor de ambos.
Columna de Destilación Atmosférica, o de Fraccionamiento La columna de destilación atmosférica, llamada también torre de fraccionamiento ó torre de burbujeo permite la separación de los componentes del petróleo en un rango de temperatura. La denominación de torre de burbujeo se refiere al hecho común que en ella los vapores burbujean a través del líquido contenido en las bandejas. Esto da lugar a que los vapores ascendentes entren en contacto con el líquido descendente (reflujo) de bandeja en bandeja.
UBICACIÓN DEL INSTRUMENTO DE MEDICIÓN es AUTOMATIZADO usad usada a para para
La co colu lumn mna a de dest destil ilac ació ión n sepa separar rar las las frac fracci cion ones es de hidrocarburos con puntos de ebullición similares. El crudo que ingresa a la zona de vaporización (flah) a la temperatura óptima para separar las fracciones, sufre una disminución de presión vaporizando súbitamente todos los componentes livianos y ascendiendo a través de cada plato de burbujeo donde se encuentra en contracorriente con el líquido que baja internamente por la columna y que constituye el reflujo interno. En cada plato ocurre transferencia de masa entre los componentes que conforman los vapo apores de hidrocarburos que ascienden y el líquido condensado que desciende, los componentes volátiles arrastran la parte volátil del líquido del plato y ascienden con el vapor al plato superior y los menos volátiles condensan en el líquido y son arrastrados hacia el siguiente plato inferior. Los hidrocarburos que hierven a baja temperatura ascienden a la cabeza del del frac fracci cion onad ador or,, mien mientr tras as que que los los hidr hidroc ocar arbu buro ross co con n punt puntos os de ebul ebulli lici ción ón inte interm rmed edio ioss ascie asciend nden en a la mita mitad d del del fracc fraccio ionad nador or,, y los los
hidroc hidrocarbu arburos ros con puntos puntos de ebulli ebullició ción n ele elevad vados os perman permanece ecen n en los fondos del fraccionador. El calor que se requiere para destilar es suministrado parcialmente por el intercambio entre las corrientes de alimentación y las corrientes de los productos extraído en intercambiadores de calor. Utilizando una Termocupla tipo “J” justo en las tuberías de ingreso del fluído a la columna de destilación, podremos monitorear de manera automatizada la variación de temperatura en este punto, además sería recomendable tener transductores que midan la presión y el flujo, asi podremos controlar todas las variables representativas del proceso.
PRODUCTOS - UNIDAD DESTILACION PRIMARIA •
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Gase ases Incondensab sables de Tope, descargan a la atmósfera. Gasolina, tanques de Gasolina Primaria. Solvente, a tanques de almacenamiento de Solvente. Solvente pesad sado, con punto de infl inflam amac ació ión n alto alto,, que que se alin alinea ea al kerosene. Kerosene, a tanques de almacenamiento. Diesel, a tanques de almacenamiento.
REPRESENTACIÓN DE UNA UNIDAD DE DESTILACIÓN ATMOSFÉRI ATMOS FÉRICA CA O DE FRACCIONAMIE FRACCION AMIENTO NTO EN EL PROGRAMA LAB VIEW La columna de destilación atmosférica, permite realizar la separación de los componentes del petróleo en un rango de temperatura.
Representación en el Programa LAB VIEW: Cuando se presiona la llave 1, la columna empieza a llenarse y el crudo es precale alentado en circuitos de intercambiadores de calo alor y posteriormente ingresa al horno hasta lograr temperatura óptima para obtener en la torre de destilación diferentes productos de hidrocarburos
que se comercializan, tales como gasolinas, kerosene, diesel petróleos industriales (Residuales), asfaltos etc. Cuando la columna se halla llenado hasta su tope y empieza el proceso de destilación, se va aumentando la temperatura que va a ser medida por por las las term termoc ocup upla las. s. Co Como mo ca cada da prod produc ucto to pose posee e una una temp temper erat atur ura a distinta que es es registrada por el termómetro, va va saliendo de la columna de destilación cada componente para ser almacenado en los tanques.
PANEL PANEL FRONTAL: FRONTAL: (El sistema sistema de funcionam funcionamiento iento completo se encuentra adjunto en el CD) 9. CONCLUSIO CONCL USIONES NES Y RECOMEND REC OMENDACIO ACIONES NES
Se encontraron las siguientes limitaciones se aplicables al uso de las termocuplas Tipo J: •
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No se deben usar en atmósferas sulfurosas por encima de 540º C. A causa de la oxidac aciión y fragi agilidad potencial, al, no se las recomienda para temperaturas inferiores a 0º C. En la columna de destilación de petróleo, se recomienda instalar transductores para medir presión y flujo Las termocuplas J son sensores de temperatura de uso industrial más común y fáciles de reemplazar que existen.
•
Lass term La termoc ocup upla lass J son son ec econ onóm ómic icas, as, físi física came ment nte e muy muy rígi rígidas das y cubren un amplio rango de temperaturas (-180 a 1370 ºC)
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No es recomendabl recomendable e usar termocuplas termocuplas cuando es necesaria una lect lectur ura a de temp temper eratu atura ra muy muy prec precis isa a (déc (décim ima a de ºC ºC)) pues pues la compensación de cero requerida por las termocuplas introduce un error típicamente del orden de 0.5 ºC
