E92 Terminado Termodinamica Mediciones

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERA

Departamento de Ingeniera Mecnica SANTIAGO

TITULO DE LA EXPERIENCIA

___________________________________ Mediciones bsicas de Temperatura _______________________________________

EXPERIENCIA N __E92__Grupo N___1___ Fecha de la Exp____02-09-2014_____ Fecha de Entrega _____30-12-2014_____

NOMBRE ASIGNATURA____ _______________ TERMODINMICA____________________CODIGO_15086-0-L-2__

CARRERA_____Ingeniera de Ejecucin en Climatizacin y aire acondicionado________ Modalidad (Diurna o Vespertina)________ __DIURNA__________

NOMBRE DEL ALUMNO_______Valenzuela______________Carrillo_______________ Fernando Jos__________________ Apellido Paterno Apellido Materno Nombre

________________________ Firma del alumno

Fecha de Recepcin

Nota de Interrogacin ________________ Nombre del Profesor: Rodrigo Pizarro Nota de Participacin ________________

Nota de Informe ____________________ _________________________________

Nota Final __________________ ______ ________________ Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X

________ Presentacin ________ Clculos, resultados, grficos

________ Caractersticas Tcnicas ________ Discusin, conclusiones

________ Descripcin del Mtodo seguido _______ Apndice

OBSERVACIONES

Mediciones b sics de tempertur

2 Termodinmica Universidad de Santiago de Chile

Resumen ejecutivo. Para realizar este laboratorio en necesario dejar en claro que utilizaremos termopares y termistores. Se eligi un termopar de tipo K (Ni Cr/ Ni Al), ya que tiene un buen rango de medicin de temperatura (de -40 a 1100 C) y es el ms comnmente empleado para diversas aplicaciones, adems de presentar buenas caractersticas de resistencia a la oxidacin. Se construy un montaje con dos recipientes para hacer un anlisis a temperatura ambiente y a 0C Se conect en las terminales libres del termopar un voltmetro digital para registrar los valores con respecto al cambio de temperatura, se hizo la tabla correspondiente y se obtuvo la grfica de los datos obtenidos durante la actividad experimental. En el experimento queda demostrado los experimentos de seebeck y su comportamiento lineal.



ndice:

Resumen del contenido del Informe Mediciones bsicas de temperatura 4

Objetivos de la Experiencia 4

Metodologa Experimental 5 Caractersticas tcnicas del equipo, instrumentos e instalaciones 7 Presentacin de resultados 10 Anlisis de resultados y Conclusin 14 Apndice 15



1. Resumen del contenido del Informe En esta esta experiencia se analiza, comprende y aplica los principios termoelctricos para la medicin de temperatura en un sistema y comparar los datos obtenidos con una medicin patrn obtenida de un termmetro digital. Para lograr el objetivo planteado se utilizaron multitester, un termmetro digital, termistores y termopar tipo K adems de otros equipos que veremos luego en este informe, con cuales se tomaron los datos elctricos usados para determinar de la temperatura mediante las ecuaciones correspondientes (presentadas ms adelante) para cada sistema de medicin (termopar tipo K y termistor) y as comparar los resultados con la medicin patrn. Los datos fueron tabulados a medida que avanzamos en la experiencia, llegando a 10 mediciones. La experiencia termino con xito, aunque fue posible identificar varias fuentes de error que podran afectar nuestros clculos, lo que ser confirmado o desmentido en el desarrollo de este informe. 2. Objetivo de la Experiencia 2.1. Objetivo general Aplicar principios termoelctricos en la determinacin de la temperatura de un sistema y comparar las mediciones realizadas con una medida patrn. 2.2. Objetivos Especficos

Implementar un circuito termoelctrico para la medicin de la temperatura reconociendo cada una de las partes involucradas.

Verificar el efecto Seebeck y relacionarlo con el uso de termopares para la determinacin de temperaturas.

Contrastar el comportamiento NTC de la resistencia elctrica de un termistor con la temperatura.

Identificar los principales causales de error asociados al circuito termoelctrico disponible y formular alternativas para contrarrestarlos.



3. Metodologa Experimental 3.1. Ensayo mediciones bsicas de temperatura, materiales necesarios:

01 Termmetro Digital. 01 Termopar tipo K (cable y cabezal) 01 Termistor 01 Amplificador de Tensin (1000 veces) 01 Controlador de temperatura 01 Resistencia (Temperatura al agua de hervidor) 03 Multitester (medicin de tensin) 01 Multitester (medicin de resistencia)

3.2. Procedimiento

3.2.1. Primero es el reconocimiento del equipo que aparece en caractersticas tcnicas del equipo, instrucciones e instalaciones.

Fig. 1. Montaje Experimento.

3.2.2. Montamos el circuito que parece en la Figura 1. 3.2.3. Los instrumentos sern calibrados por nosotros de la siguiente forma, primero el

recipiente del termopar contiene hielo, lo que aremos ser conectar un extremo del termopar al amplificador, de este sacaremos una conexin a al voltmetro y el otro extremo lo pondremos en el hielo para as poder llegar a un gradiente de



temperatura 0 y por ley de Seeback que el voltmetro logre marcan una cercana a 0, luego tambin calibraremos el amplificador.

3.2.4. Luego tendremos dos recipientes ms uno con hielo y agua, y en otro tendremos solo agua con una resistencia que regulara la temperatura de este medio varindola por medio de una conexin que ira a un controlador de temperatura, al cual le daremos la temperatura que queramos.

3.2.5. Una vez calibrados los instrumentos y conectados al amplificador que nos permitir visualizar las medidas en el voltmetro y tester, de voltaje con el termopar, resistencia con el termistor y temperatura con el termmetro, procederemos a tomar nuestras medidas como se ve en la figura 2.

Fig. 2. Diagramas de conexin

3.2.6. Para la primera medida introduciremos un extremo del termopar del termistor y el termmetro en el recipiente de hielo con agua, donde tabularemos nuestros primeros datos, luego introduciremos los mismos 3 extremos de los diferentes artefactos en el recipiente que contiene la resistencia y comenzaremos a tabular datos variando temperatura desde el controlador de temperatura, (una vez el termmetro fije una medida tabularemos 10 datos inmediatamente).



4. Caractersticas tcnicas del equipo, instrumentos e instalaciones 4.1. Termmetro Digital: Modelo 52-II.

Reloj en tiempo relativo en el MIN, MAX, y AVG proporciona una referencia de tiempo para los

grandes eventos

Funcin Offset electrnico permite la compensacin de error del termopar y maximizar la precisin general Medidas J, K, T y E-tipos de termopares Lectura en C, F o Kelvin (K) Caso resistente a salpicaduras y al polvo por amortiguar el impacto y funda Panel frontal de fcil uso es fcil de instalar y operar Modo de reposo aumenta la vida til de la batera; tpica vida de la batera 1.000 horas Puerta de la batera permite que la batera sea fcil sin romper el sello de calibracin Accesorio ToolPak opcional permite que el termmetro se cuelgan de cualquier objeto de metal (con el imn de tierras raras) o fijar alrededor de un tubo (con correas de gancho y bucle) para la operacin de manos libres.

Fig. 3. Termmetro digital 4.2. Termopar: Es un circuito cerrado donde hay una referencia fra y una unin en el extremo de dos hilos de distinto material, y que al exponer este extremo a una temperatura distinta a la de la referencia fra, se genera una FEM, la cual al ser procesada en la ecuacin, nos da un valor de temperatura proporcional al valor de la FEM generada. Es mencionado tambin el efecto Seebeck, que relaciona la FEM con el gradiente de temperatura:



4.3.Termistor: Un termistor es un resistor cuya resistencia elctrica vara con la temperatura. Los termistores estn hechos de materiales semiconductores, principalmente xidos metlicos. Los termistores son de los sensores trmicos ms precisos (0.1C; 0.2C), sin embargo el intervalo de temperatura de estos dispositivos es ms limitado que el de los termopares (0 100C). Para la determinacin de la temperatura mediante las mediciones entregadas por el Ohmetro

utilizamos la ecuacin: ( ) (

)

4.4. Tester digital: Un multmetro, tambin denominado polmetro,o tester, es un instrumento elctrico porttil para medir directamente magnitudes elctricas activas como corrientes y potenciales (tensiones) o pasivas como resistencias, capacidades y otras.

Fig. 5. Tester digital 4.5. Amplificador de voltaje: Amplifica la FEM en 1000 veces.

Fig. 6. Amplificador de corriente.



4.6. Variador de corriente: va variando el flojo de corriente a una resistencia que es controlada por un termostato digital.

Fig. 7. Amplificador de corriente



5. Presentacin de resultados 5.1. Grfico FEM Termopar 1 Temperatura0C v/s Temperatura patrn

Fig.8.

Nmero Temperatura FEM (Volt) us(v/c)

Patrn (C) Tpref=0C

1 20,6 1,217 0,012170036

2 33,2 1,466 0,014660017

3 43,0 2,277 0,022770015

4 50,2 2,312 0,023120011

5 56,8 2,494 0,02494001

6 69,8 2,853 0,028530007

7 73,8 3,175 0,031750007

8 78,6 3,425 0,034250007

9 83,5 3,530 0,035300006

10 90,6 3,848 0,038480006

Tabla 1.

y = 0,0375x + 0,4116

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

0,0 50,0 100,0

FEM

(V

olt

)TP

1

Temperatura C

FEM (Volt) Tp1 Tpref=0C V/S Temperatura Patrn (C)

FEM (Volt)Tp1Tpref=0C

Lineal (FEM(Volt)Tp1Tpref=0C)



5.2. Grfico FEM Termopar 2 Temperatura 14,7C v/s Temperatura patrn

Fig 9.

Nmero Temperatura FEM (Volt) us(v/c)

Patrn (C) Tpref=Tamb

1 20,6 0,790 0,027583132

2 33,2 0,922 0,016546181

3 43,0 1,898 0,028838889

4 50,2 1,924 0,027206999

5 56,8 2,040 0,027523051

6 69,8 2,530 0,032049736

7 73,8 2,888 0,036063359

8 78,6 3,027 0,037233529

9 83,5 3,250 0,039444048

10 90,6 3,459 0,041289255

Tabla 2

y = 0,0396x - 0,1023

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

0,0 50,0 100,0

FEM

(V

olt

)TP

2

Temperatura C

FEM (Volt) Tp2 Tpref=Tamb v/s Temperatura Patrn(C)

FEM (Volt)Tp2Tpref=Tamb

Lineal (FEM(Volt)Tp2Tpref=Tamb)



5.3. Grfico FEM Termistor v/s Temperatura patrn

Fig.10. Tabla 3

y = 1,1445ln(x) - 1,0108

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

0,0 50,0 100,0

FEM

(V

olt

)TM

Temperatura C

FEM (Volt) Tm v/s Temperatura Patrn (C)

FEM (Volt) Tm

Logartmica (FEM(Volt) Tm)

Nmero Temperatura FEM (Volt)

Patrn (C) Tm

1 20,6 2,429

2 33,2 2,936

3 43,0 3,479

4 50,2 3,477

5 56,8 3,502

6 69,8 3,824

7 73,8 3,955

8 78,6 4,010

9 83,5 4,050

10 90,6 4,110



5.4. Grfico FEM Termistor v/s Resistencia

Fig.11. Tabla 4.

y = -4,3521x + 18,888

0,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

9,000

0,000 2,000 4,000 6,000

Res

iste

nci

a (o

hm

)TM

FEM (Volt)TM

R(Ohm) Tm v/s FEM(Volt) TM

R(Ohm) Tm

Lineal (R(Ohm)Tm)

Nmero FEM (Volt) R(Ohm)

Tm Tm

1 2,429 8,040

2 2,936 7,330

3 3,479 3,162

4 3,477 3,160

5 3,502 3,074

6 3,824 2,647

7 3,955 1,665

8 4,010 1,503

9 4,050 1,390

10 4,110 1,225



6. Anlisis de resultados y conclusiones

Las figura 8,9 y 11muestran el comportamiento de los dos termopares y termistor utilizados, donde el voltaje y la temperatura hay una relacin directamente proporcional, a diferencia de lo que dicta la resistencia con la temperatura ya que son inversamente proporcionales, todo esto lo podemos ver y comprobar su veracidad en las tablas de clculos anteriores y grficos.

La literatura nos dice que un termopar tipo k representa una dependencia lineal de la temperatura con el voltaje sobre un rango de temperaturas de 0 a 1000C en nuestro caso experimenta fue de 0C a 100C tomando datos cada 10 grados,por lo cual, al analizar las grficas 8 y 9 se observa que efectivamente existe una dependencia lineal entre la temperatura y el voltaje, por lo tanto concluimos que a un determinado voltaje podemos determinar la temperatura siempre que contemos con graficas o bien datos tabulados de esta relacin lineal. El comportamiento de la resistencia es inversamente proporcional eslo podemos ver objetivo en su pendiente negativa (s=-4,3521) Para llevar a cabo el laboratorio de la mejor forma es necesario tener en cuenta: -Tener bien calibrado el termopar -El termopar es sensible al ruido por lo tanto hay que esperar a que se estabilice la medicin. Concluimos que el laboratorio ha sido un xito al quedar demostrada la proporcionalidad lineal.



7. Apndice 7.1. Fundamentos tericos

Efecto Seebeck: En 1826 Thomas Johan Seebeck (1770-1831) descubri que poda producirse

una fuerza electromotriz (fem), por un procedimiento puramente trmico, en un circuito compuesto

por dos metales distintos A y B cuyas soldaduras se mantienen a temperaturas diferentes, como se representa esquemticamente en la figura 4.1, a este descubrimiento se le conoce como Efecto

Seebeck. Metal A

T1 i

T2

Metal B

Fig 12. Termopares de dos metales A y B con soldaduras a T y Tr. El conjunto de los dos metales constituye un termopar o par termoelctrico, y la fem del circuito se

denomina fem trmica o fem Seebeck. Si se mantiene constante la temperatura (Tr) de la junta de referencia, se encuentra que la fem Seebeck es funcin de la temperatura (T) de la junta de prueba. Este hecho permite utilizar el termopar como termmetro, lo que constituye actualmente su principal aplicacin. Una ventaja de

usar un termopar como termmetro es que a causa de su pequea capacidad calorfica, la junta de prueba alcanza rpidamente el equilibrio trmico con el sistema cuya temperatura se desea medir, y por consiguiente, sigue fcilmente los cambios de temperatura; y la otra ventaja es la linealidad, ya que la fem vara proporcionalmente a los cambios de temperatura en la junta de prueba. Para pequeos diferencias de temperatura, el cambio en el voltaje a travs de los huecos en el cable A esta dado por:

(1)

dondeA,B es el coeficiente de Seebeck (o poder termoelctrico) para la combinacin de materiales A y B a una temperatura T, que por despeje definimos como:

dT

dEdT SBA , (2)

La cada de voltaje total para un rango de temperaturas esta dado por:

dTE BAS , (3) Con lmites de integracin T1, T2. El coeficiente seebeck (S) se define como la derivada de la tensin de Seebeck (E) con respecto de la temperatura (T)



dT

dES (4)

Para calcular la temperatura en funcin de la resistencia ocuparemos la siguiente ecuacin:

Aplicando logaritmo natural queda lo siguiente:

(

)

Para poder obtener el error ocuparemos la siguiente frmula

( )

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

) ( ) (

) ( )

.



Termopares Estandarizados.

Termopar Metal (+) Metal (-) Rango C Exactitud

Promedio

(T) Cobre-Constantn 100% Cu 55% Cu + 45% Ni -270 a 400 + 0.75 %

(J) Hierro-Constantn 100% Fe 55% Cu + 45% Ni -210 a 1200 + 1.00 %

(K) Cromel-Almel 90% Ni + 10% Cr 95% Ni + 5% Al -270 a 1370 + 0.75 %

(R) Platino + 13% 87% Pt + 13% Rh 100% Pt -50 a 1760 + 0.50 %

Rodio-Platino

(S) Platino + 10% 90% Pt + 10% Rh 100% Pt -50 a 1760 + 0.50 %

Rodio-Platino

Tabla 5 Cdigo de colores para termopares.

Termopar Junta de Medicin Cubierta Cables

o Cabezal Externa

Cubierta Cubierta

Positiva Negativa

(T) Cobre-Constantn Azul Azul Azul Rojo

(J) Hierro-Constantn Negro Negro Blanco Rojo

(K) Cromel- Almel Amarillo Blanco Verde Rojo

(R) Platino + 13% Verde Verde Negro Rojo

Rodio-Platino

Tabla 6



7.2 Bibliografa empleada y temario del experimento

[1]Termodinmica; Yunus Cengel Sptima edicin [2]http://www2.ing.puc.cl/ [3]Gua laboratorio Dimec Usach

http://www.dimecusach.cl/index.php?option=com_docman&task=cat_view&gid=34&Itemid=239 [consulta:2014, Septiembre]

[4]Gua ULA http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/djean/index_archivos/Documentos/GUIA_LAB_INST.pdf [consulta: 2014,Septiembre]

[5]Gua diseo generadores de electricidad por efecto seebeck http://repository.eia.edu.co/bitstream/11190/728/2/MECA0119.pdf [consulta: 2014,Septiembre]

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