LABORATORIO DE FENOMENOS DETRANSPORTE

PROFESOR: Sergio Hernández

PRÁCTICA DE TERMOPARES

EQUIPO 4

INTEGRADO POR:

Mario González Ildelfonso

Diana Sánchez Mejía

Janet Juárez Pineda

Maribel Sánchez Morales

Resumen ejecutivo.

Para la realización de este experimento, primero seprocedió a investigar los principios de funcionamientode los termopares y su clasificación, con el fin de elegirel más apropiado para la realización de la actividadexperimental.

Se eligió un termopar de tipo K (Ni Cr/ Ni Al), ya que tieneun buen rango de medición de temperatura (de ‐40 a 1100 °C)y es el más comúnmente empleado para diversasaplicaciones, además de presentar buenas característicasde resistencia a la oxidación. Dado el objetivo propuesto,primero se fabricó el termopar por medio de la técnica dearco eléctrico, para posteriormente emplear el termoparfabricado para medir la temperatura del agua, para locual se empleó un instrumento patrón para medir la misma yhacer el registro.

Se conectó en las terminales libres del termopar unvoltímetro digital para registrar los valores con respecto alcambio de temperatura, se hizo la tabla correspondiente y seobtuvo la gráfica de los datos obtenidos durante la actividadexperimental.

Índice.

*Portada ……………………………………………………………………… 1

*Resumen ejecutivo ………………………………………………….………..2

*índice …………………………………………………………………….…... 3

*Objetivos …………………………………………………………………….… 4

*Fundamentos Teóricos ……………………………………..………………. 4

*Ecuación de trabajo ………………………………………………………….6

*Hoja de datos …………………………………………………………………. 8

*Realización de la experiencia………………………………………………. 9

* Análisis de datos y resultados ………………….…………………………. 11

*Conclusiones ……………………………………………………………….. 13

*Referencias …………………………………………………………………. 13

Objetivos.

Conocer los principios físicos en lo que se basandiversos métodos para determinar la temperatura de uncuerpo.

Conocer el funcionamiento y usos de un termopar. Aplicar los principios físicos de los termopares para la

elaboración de uno. Fabricar un termopar por medio de la técnica de arco

eléctrico.

FUNDAMENTOS TEORICOS.

Un termopar o termocupla, está constituido por dos metalesdiferentes, unidos físicamente en sus extremos, en cada unade las uniones se crea una diferencia de potencial quedepende de la temperatura (efecto termoeléctrico), como estossensores son muy sensibles presentan un alcance detemperaturas que pueden ir de -200°C a 3000°C dependiendo deltipo de termopar que se use.

El principio de funcionamiento de estos sensorestermoeléctricos se basa en el llamado efecto Seebeck yefecto Thompson, que se sabe que si un sistema que cuenta condos materiales diferentes A y B, con uniones a diferentestemperaturas, estas generaran la aparición de una corrienteeléctrica con una determinada intensidad, “i”, que no dependede la

resistencia del conductor si no que solo depende de ladiferencia de temperaturas entre las uniones, pero si elcircuito se abre aparece una fuerza electromotriz (FEM), lacual depende de los materiales y la diferencia de temperaturaque existe.

Figura 1.- Funcionamiento de un termopar.

Cuando un conductor metálico es sometido a una diferencia de temperatura, entre sus extremidades surge una fuerza electromotriz (F.E.M.), cuyo valor por lo general no excede el orden de magnitud de milivoltios, como consecuencia de la redistribución de los electrones en el conductor cuando éstosse someten a un gradiente de temperatura. La figura siguienterepresenta esquemáticamente el fenómeno.

El valor de la F.E.M. depende de la naturaleza del material ydel gradiente de temperatura entre sus extremidades produciendo tres efectos principales que son los efectos de Seebeck, de Peltier y de Thomson.

El efecto SeebeckEl termopar debe su funcionamiento como instrumento paradeterminar la temperatura al efecto termoeléctrico conocidocomo efecto Seebeck. En 1821 Thomas Johann Seebeck (físico ymédico alemán) descubrió la termoelectricidad y la pilatermoeléctrica (termopares en serie). Demostró que en el paso

de la corriente a través de un circuito formado por dosmetales distintos cuyas uniones se mantienen a temperaturasdistintas se manifiesta un flujo de calor y un flujo deelectrones conocido como corriente Seebeck. La fuerzaelectromotriz (FEM) que genera la corriente se conoce como lafuerza electromotriz de termopar o tensión Seebeck.

Efecto Peltier.Alrededor de una década más tarde (1834), Jean Peltierdescubrió un efecto térmico poco usual, cuando pequeñascorrientes externas, fueron dirigidas hacia las diferentesuniones de un termopar. El efecto Peltier consiste en elcalentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metalesdistintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentidode la corriente se invierte también el sentido del flujo decalor.

Efecto Thomson.Con la ayuda del desarrollo de las nuevas teorías de latermodinámica, William Thomson (después conocido como LordKelvin) pudo demostrar que los dos efectos mencionados antesestaban relacionados. También desarrollo las ecuaciones quese utilizan hasta nuestros días. El efecto Thomson consisteen la absorción o liberación de calor por parte de unconductor homogéneo con temperatura no homogénea por el quecircula una corriente.

El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello,cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Seabsorbe el calor si la corriente y el calor fluyen endirecciones opuestas, y se libera calor si fluyen en la mismadirección

Ecuación de trabajo.

Figura 2. Efecto Seebeek.

Para pequeños diferencias de temperatura, el cambio en elvoltaje a través de los huecos en el cable A esta dado por:

dEs=αA,BdT (1)

dondeA,B es el coeficiente de Seebeck (o podertermoeléctrico) para la combinación de materiales A y B a unatemperatura T, que por despeje definimos como:

αA,BdT=dESdT

(2)

La caída de voltaje total para un rango de temperaturas estadado por:

ES=∫αA,BdT (3)

Con límites de integración T1, T2.

El coeficiente seebeck (S) se define como la derivada de latensión de Seebeck (E) con respecto de la temperatura (T)

S=dEdT (4)

Figura 3. Representación del efecto Thomson.

La Figura 3 explica el efecto Thomson, cuando los flujos dedos corrientes a través de la unión de dos conductoresdiferentes, el calor es absorbido (T2 +T), o liberado (T1-T)en las uniones. Si el flujo de corriente eléctrica es en lamisma dirección que la del efecto Seebeck, entonces el calores absorbido a la unión de temperatura más alta (y viseversa). Este efecto es utilizado en calentadores orefrigeradores termoeléctricos.

La relación es:

dOP=πA,BIdt (5)

Donde dQp es la cantidad de calor, A,B el el coeficiente dePeltier, I es la corriente eléctrica, y dt es el tiempotranscurrido.

La relación de los dos efectos fue desarrollado por Thomson,quien la escribió así:

πA,B=(σa−σb)dT(6)

Donde es el coeficiente de Thomson para un conductor,definido como:

ET1.T2=∫σAdT

(7)

con límites de integración T1 y T2. El coeficiente de Thomsonse define como el cambio en la capacidad calorífica de unconductor cuando una unidad de carga eléctrica fluye a lolargo de él, en el intervalo de temperatura de 1K. Con estasrelaciones es posible llegar a la siguiente ecuación:

T=A0+A1V1+A2V2+A3V3+…+AnVn(8)

T=Temperatura [°C]

Vn=Voltaje[mV]

An=Coeficientedelpolinomio

n=Ordendelpolinomio

Hoja de datos.

T=A0+A1V1+A2V2+A3V3+…+AnVn

Tipo de termopar:

Sustancias:

Tabla 1. Datos experimentales obtenidos.

No. deexperiment

o

Milivoltios (mV)

Temperatura

(°C)

Termopar(A o B)

1 0 0 A2 0.7 19 A3 1.9 49 A4 2.4 60 A5 2.9 73 A6 3.8 94 A

7 20 0.7 B8 31 1.1 B9 44 1.6 B10 50 1.9 B11 60 2.3 B12 89 3.6 B13 20 0.7 B

Realización de la experiencia.

EQUIPO:

Figura 4 .Alambre paratermopares

Figura 5.Parilla electrica

Figura 6.Reóstato

Figura 7.Vaso de precipitadode 500ml

Figura 8.Guantes de asbesto

Figura 9.Guantes de asbesto

Figura 10. Pinzas de electricista

Reactivos:

AceiteMercurio (Hg)

Procedimiento experimental:

Se cortó un metro de alambre aislado para el termopar,del tipo seleccionado.

Se eliminó el aislante de las puntas y se enrollo contres vueltas.

Se cortó la última vuelta del enrollado con unas pinzas

de electricista. Se montó el sistema de arco eléctrico, como se muestra

en la Figura 11. Se enciendo el sistema de arco eléctrico a 120 volts y

con el reóstato al 40% Se sumergió la punta del termopar hasta que se formó el

arco eléctrico por un breve intervalo de tiempo. Se observó la soldadura y se repitió la inmersión hasta

obtener una soldadura robusta. Posteriormente se calibro el termopar llenando un

contenedor de baño térmico con agua se encendió el bañotérmico. Se calentó el agua a 30 grados Celsius y seencendió el dispositivo termopar. Se conectó cada cabledel multimetro a un extremo del termopar. Este multímetrodebe poder medir un voltaje de un microvoltio

Se colocó una unión del termopar en el hielo y se dejóestabilizar el voltaje. Esto ocurre cuando el voltajedeja de fluctuar a excepción del último dígito. Seregistró la parte estable del voltaje del multímetro.

Se realizaron las medidas a diferentes temperaturas conel termopar.

Figura 11. Sistema de arco eléctrico.

Análisis de datos y resultados.Las Tablas 2 y 3 muestran los datos obtenidos durante laactividad experimental.

Tipo de termopar: Termopar tipo K

Termopar A

Tabla 2. Datos experimentales obtenidos para el termopar A.TEMPERATURA (°C) VOLTAJE (mV)

0 0.019 0.749 1.960 2.473 2.994 3.8

-1

0

1

2

3

4

-20 0 20 40 60 80 100

Term opar A

Volt (m V)

Tem p (°C)

Figura 12. Grafica de Voltaje contra temperatura del termoparA.

Termopar B

Tabla 3. Datos experimentales obtenidos para el termopar B.TEMPERATURA (°C) VOLTAJE (mV)

0 0.020 0.731 1.144 1.650 1.960 2.389 3.6

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Term opar B

Voltaje(m V)

Tem peratura(°C)

Figura 13. Gráfica de Voltaje contra temperatura del termoparB

Las gráficas 1 y 2 muestran el comportamiento de los dostermopares utilizados.

La literatura nos dice que un termopar tipo “k” representauna dependencia lineal de la temperatura con el voltaje sobreun rango de temperaturas de 0 a 1000°C por lo cual, alanalizar las gráficas 1 y 2 se observa que efectivamenteexiste una dependencia lineal entre la temperatura y elvoltaje, por lo tanto concluimos que a un determinado voltaje

podemos determinar la temperatura siempre que contemos congraficas o bien datos tabulados de esta relación lineal.

Observaciones.

*Con forme a la medición de datos es recomendable tener biencalibrado el termopar.

*El termopar es sensible al ruido por lo tanto hay queesperar a que se estabilice la medición.

Conclusiones.Los termopares son un gran instrumento que nos permite medirde forma muy precisa la temperatura de un sistema, el hechode se considere un determinado voltaje a una temperatura esel aspecto más importante por lo cual decimos que lasprincipales precauciones que se deben considerar son lamedida del voltaje ya que de él dependerá si nuestroexperimento es exitoso o no lo es.

Con base a los datos obtenidos tenemos que existe unarelación lineal del voltaje y la temperatura tal y como laliteratura no los indica por lo cual decimos que losobjetivos planteados se cumplen de una muy buena manera.

Referencias. Instrumentación y control avanzado de procesos. Escrito

por José Acedo Sánchez, 2 da edición. Instrumentación Industrial. Escrito por Antonio Creus

Solé, 2 da edición. http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/1020070555.PDF