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OBJETIVOS DE ESTA EXPERIENCIA
1. Conocer el principio del funcionamiento de los instrumentos
medidores de temperatura usados en el laboratorio.
2. Regular la precisin de los de los medidores de temperatura de
diferentes escalas a travs de la construccin de una curva de
calibracin usando un termmetro patrn y valindonos de las
mediciones.
3. Conocer las relaciones existentes entre la medicin de
temperatura en distintas escalas.
FUNDAMENTO TERICO
DESCRIPCIN GENERAL DE TERMMETROS DE LQUIDO EN VIDRIOSu operacin
est basada en la expansin del lquido con el incremento de la
temperatura; esto es, el lquido acta como un transductor, convierte
la energa termal en una forma mecnica. Con el incremento de la
temperatura, el lquido y el vidrio del termmetro se expanden con
diferente coeficiente de expansin, causando que el lquido avance
por el tubo capilar. Las partes principales de un termmetro de
lquido en vidrio tpico se muestran en la figura 1:
PROFUNDIDAD DE INMERSINLos termmetros de lquido en vidrio son
usualmente utilizados para la medicin de la temperatura de fluidos.
La eleccin del tipo de inmersin depende de la medicin requerida, la
profundidad del fluido y el tipo de montaje.
Termmetro de inmersin parcialDiseado para indicar la temperatura
correctamente cuando el bulbo y una porcin especfica de la columna
estn inmersos en el medio a la temperatura que va a ser medida.
Termmetro de inmersin totalEst diseado para indicar la
temperatura correctamente cuando el bulbo y toda la columna del
lquido (unos cuantos milmetros por arriba del nivel del lquido)
estn inmersos en el medio a la temperatura que va a ser medida.
Termmetro de inmersin completaEst diseado para indicar la
temperatura correctamente cuando todo el termmetro, incluyendo la
cmara de expansin estn expuestos en el medio a la temperatura que
va a ser medida.
FUNCIONAMIENTO DE UN TERMMETROEl principio de funcionamiento de
un termmetro de columna de lquido es la expansin trmica. Cuando
aumenta la temperatura del bulbo del termmetro, el lquido y el
vidrio que lo contiene se dilatan con diferentes coeficientes de
dilatacin, lo que origina un avance del lquido (columna) por el
capilar del vidrio. La parte superior de la columna de lquido se
denomina menisco y logra su reposo cuando la temperatura del bulbo
es igual a la del medio. La temperatura puede ser leda, entonces,
por la posicin del menisco en una escala dibujada sobre el vidrio
del termmetro. La reserva de lquido est contenida en el bulbo, que
contiene un volumen de lquido equivalente a un nmero especfico de
grados de la escala, dependiendo de los coeficientes de expansin
del lquido y el vidrio.
La tensin superficial presente en el menisco de lquidos que no
mojan (p. e. mercurio), produce presiones en el seno del lquido que
se traducen en pequeas deformaciones del bulbo. Cuando la presin es
variable debido a variaciones de dimetro o imperfecciones del
capilar, la variacin de la columna de lquido con la temperatura se
realiza de forma discontinua (saltos), que es necesario evitar
mediante vibraciones del termmetro y observando que sus incrementos
sean compatibles con la incertidumbre de calibracin. En termmetros
con lquidos orgnicos, que mojan la superficie del capilar, no se
presenta el fenmeno de variaciones de presin, sin embargo, estos
lquidos tienen tendencia a permanecer en las paredes del capilar,
por lo que deben darse tratamientos trmicos y desplazamientos de la
columna de lquido que aseguren la no permanencia de restos de
lquido en el capilar o en la cmara de expansin. Esto se har antes
de la calibracin como se describe ms adelante. Existen tres tipos
de termmetros de columna de lquido, segn su modo de inmersin:
a) Termmetros de inmersin total: estn diseados para indicar
temperaturas correctamente cuando el bulbo y toda la columna de
lquido estn inmersos en el medio del que se va a medir la
temperatura. En la prctica, aproximadamente 1 cm de columna debe
estar fuera del medio, para que se pueda leer el termmetro.
b) Termmetros de inmersin parcial: estn diseados para indicar
temperaturas correctamente cuando el bulbo y una longitud
especificada de la columna se encuentran sumergidas en el medio del
que se va a medir la temperatura. La longitud que se debe sumergir
debe venir indicada o estar sealada sobre el termmetro.
c) Termmetros de inmersin completa: estn diseados para indicar
temperaturas correctamente cuando la totalidad del termmetro est
sumergido en el medio del que se va a medir la temperatura. stos
son menos habituales.
TERMMETRO BIMETLICOEl termmetro bimetlico es un instrumento
utilizado para medir temperatura mediante la contraccin y expansin
de dos distintas aleaciones metlicas de alto y bajo coeficiente de
dilatacin.Los termmetros bimetlicos estn constituidos por un tubo
en cuyo interior est colocada una espiral helicoidal bimetlica.
Dicha espiral est soldada por un extremo a la parte inferior del
tubo y por otra a una varilla de transmisin, a su vez conectada a
una aguja indicadora.
Funcionamiento de los termmetros bimetlicosLas aleaciones
metlicas, la de alto y bajo coeficiente de dilatacin, 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 deformacin, esta se
transmite a la aguja indicadora.Los termmetros bimetlicos usan la
diferencia de coeficiente de expansin trmica de metales dismiles
para poder determinar cul es el cambio de temperatura. ste se
proporciona mediante un movimiento mecnico, o sea, por el giro de
una aguja sobre una escala graduada.En realidad, lo que mide la
temperatura en los termmetros bimetlicos es una hlice bimetlica de
respuesta rpida. Dado que el termmetro bimetlico se fabrica a
partir de dos tiras de metal soldadas en fro con diversos
coeficientes trmicos de expansin, stas se tuercen en funcin de la
temperatura y el movimiento rotatorio se transfiere con baja
friccin a la aguja indicadora.
Usos y aplicaciones de los termmetros bimetlicosEl uso de los
termmetros bimetlicos es muy extenso ya que estn diseados para
resistir las condiciones de trabajo ms 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 ms los emplean son:
La alimentaria De conservacin Farmacutica Qumica Petroqumica
Papelera
Termmetros Bimetlicos para uso industrialLos termmetros
bimetlicos son instrumentos de medicin de la temperatura
especialmente tiles y prcticos ya que no requieren el uso de
elementos adicionales para su uso. Por s mismo un termmetro
bimetlico nos da la medicin local de la temperatura ya que cuentan
con una cartula amplia desde la cual podemos hacer la medicin
directa de la temperatura.
En la mayora de las industrias los termmetros bimetlicos nos
facilitan en suma la necesidad de monitorear la temperatura en
forma rpida, eficiente y confiable.
Los termmetros bimetlicos estn fabricados en Acero Inoxidable
con cartulas de visualizacin amplias, conexiones a proceso y
mecanismos que permiten ajustar la cartula para mejorar la
visibilidad de la misma. Dependiendo del proceso a instrumentar un
termmetro bimetlico puede fabricarse con diferentes longitudes de
vstago, siendo los ms comunes las longitudes mltiplos de 3" hasta
llegar a las 12, es decir, 3", 6", 9" y 12". Mayores longitudes de
vstago en un termmetro bimetlico tambin son comunes aunque la
fabricacin de los mismos no es en serie y por tal razn los tiempos
de entrega son mayores.Conexiones disponibles en termmetros
bimetlicosTipo de conexinDescripcin
InferiorConexin roscada fija en la parte trasera de la cartula,
para mediciones donde el campo de visin es inferior, conexiones de
cuerda disponibles en 1/4 " y 1/2 " NPT. Este tipo de termmetro
bimetlico es de uso muy frecuente en medicin de temperatura en
autoclaves, fermentadores y tanques de almacenamiento.
PosteriorLos termmetros bimetlicos de conexin posterior son los
ms utilizados en monitoreo de tuberas como chillers, sistemas
hidrulicos, bombeo, almacena-miento, etctera, disponibles en
conexiones roscadas de 1/4" y 1/2" NPT. Los termmetros bimetlicos
de conexin inferior son recurrentemente utilizados con termopozos
para facilitar su mantenimiento.
Todo nguloConexin con mecanismo de ajuste de cartula para
facilitar el proceso de lectura en cualquier posicin. De uso
frecuente en aplicaciones de instrumentacin de hidrocarburos.
Disponible en conexin 1/2" NPT.
TERMMETRO DIGITALLos termmetros industriales son utilizados para
medir la temperatura de un determinado lugar y esto le sirve a la
empresa para saber cunto de calor hay en el lugar de trabajo.Es muy
importante utilizarlo en las mquinas ya que estas tienen la
capacidad de aumentar de temperatura cuando tienen algn problema.
Hay que tener en cuenta que estos termmetros pueden ser tanto
digitales como tambin de mercurio, los primeros son ms utilizados
ya que te dicen la temperatura exacta de lo que se calcul mientras
que los de mercurio dicen la temperatura pero no exacta, la
diferencia entre estos es el precio ya que los ltimos son mucho ms
econmicos.
Lostermmetros industrialesdigitales son los ms utilizados en el
momento, estos suelen tener la caracterstica de que indican
exactamente la temperatura que se est midiendo, inclusive las
dcimas.Estos termmetros digitales tienen la caracterstica de que se
utilizan como si fuesen una computadora y es muy comn verlos en
heladeras o en lugares que necesiten una determinada temperatura
para mantener las cosas. Estos termmetros tambin poseen la
caracterstica de poder medir la presin y tambin la humedad que es
muy importante ya que las mquinas si contienen mucho de esta se
pueden afectar ellas como tambin las personas que la utilizan. Los
termmetros industriales pueden tener la capacidad de adherirse en
cualquier parte de la mquina. Esto le sirve a la persona para poder
calcular mejor la temperatura de la mquina y poder adherirla a ella
ya que debe tomar solo la temperatura de la mquina y no de todo el
ambiente donde se encuentra esta.Estos termmetros industriales
tambin pueden adherirse a la mano de la persona para que le sea ms
simple a esta poder calcular la temperatura de un determinado
objeto.
PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS DE LABORATORIO
MATERIALES1. Termmetro de inmersin total marca BOECO de rango
[-20,110] grados centgrados con aproximacin de 1C.2. Termmetro de
inmersin total de rango [0,150] grados centgrados con aproximacin
de 1C.3. Termmetro de inmersin parcial de rango [-10,150] grados
centgrados con aproximacin de 1C.4. Termmetro bimetlico de marca
ROTO THERM de rango [10,120] grados centgrados con aproximacin de
1C.5. Termocupla marca KEITHLEY tipo K (Nquel Cromo/ Nquel
Aluminio).6. Termmetro digital marca FISHER SCIENTIFIC de rango
[-40,1200] grados centgrados.7. Tanque de pruebas marca AMINCO.
DATOS DE LA ZONA DE TRABAJO
Presin baromtrica: 752 mmHg Temperatura de bulbo seco: 23.31 C
Temperatura de bulbo hmedo: 21.64 C Humedad relativa: 85 %
Con estos datos calculamos:
Densidad del aire: = =1.225 /3 Presin: 100.96 Kpa Temperatura:
297.6 K R (Constante de los gases): 0.287 KJ/Kg*K Densidad del
agua: De las tablas termodinmicas: Estados de Lquido Comprimido del
Agua =998 /3
ENSAYO DE MEDICIN DE TEMPERATURA
PROCEDIMIENTO
1) Seleccionamos un termmetro de referencia, el cual nos servir
como gua para determinar los puntos para la medicin de
temperaturas.2) Habiendo elegido como termmetro de referencia el de
inmersin total marca BOECO de escala [-20,110] grados centgrados,
pasamos a registrar la temperatura del ambiente que este indica.3)
Asignamos un medidor de temperatura por persona con el fin de
obtener los valores registrados por cada uno exactamente en un
mismo instante.4) Conectamos y encendemos el tanque de pruebas, as
como tambin el motor elctrico que se encarga del funcionamiento de
las paletas que mantendrn la homogeneidad de la temperatura del
aceite en todo el recipiente.5) Introducimos cuidadosamente los
seis medidores de temperatura.6) Determinamos una temperatura
inicial para la recoleccin de datos a partir del cual cada persona,
a la cual se le ha asignado un termmetro, deber indicar la
temperatura registrada en su respectivo instrumento cada 5C que
aumente el termmetro de referencia seleccionado al inicio.7) Una
vez concluida la recoleccin de datos, retiramos cuidadosamente los
medidores de temperatura, los cuales sern limpiados con similar
precaucin. 8) Apagamos y desconectamos el motor elctrico y el
tanque de pruebas. 9) Procedemos al anlisis, comparacin y clculos
pertinentes con los datos recolectados.
GRFICAS Y RESULTADOSResultados de las mediciones experimentales
sin el factor de correccin (Todos los resultados en grados
centgrados)TIT1(c)TIT2(c)TIP(c)TB(c) TD(c)
2726.5282126.5
3231.53124.329
3736362934.1
4242423540.3
4746474145.6
5251.2514551.3
5756575156.9
6261.562.25662.6
6766.5676167.5
7272726773.1
7776.5777178
TAMBIENTE23.324.82721-
TIT1: Termmetro inmersin total 1, termmetro patrn.TIT2:
Termmetro inmersin total 2.TIP: Termmetro inmersin parcial.TB:
Termmetro bimetlico.TD: Termmetro digital.
CALCULO DEL FACTOR DE CORECCION PARA EL TERMMETRO DE INMERSION
TOTAL.
T Real = T Medido + CC = 0.0016( T T ).L
T = temperatura medidaT = temperatura de los alrededores de la
sustancia = 23.3 CL = longitud no sumergida a partir de los 40C,
expresada en grados centgrados.
Entonces tenemos que:Para el Termmetro Patrn: L= 10CPara el
segundo termmetro de inmersin total L= 70 CAl aplicar la frmula
tendremos los siguientes resultadosTemperatura patrn(C)Termmetro
Inmersin 2 (C)Termmetro Inmersin Parcial (C)Termometro Bimetlico
(C) Termmetro Digital (C)
27.0626.86282126.5
32.1432.423124.329
37.2237.42362934.1
42.3044.09423540.3
47.3848.54474145.6
52.4654.32514551.3
57.5459.66575156.9
62.6265.7862.25662.6
67.7071.34676167.5
72.7877.45726773.1
77.8682.46777178
OBSERVACIONES
1. Hemos observado durante la recoleccin de datos que los rangos
de diferencia entre medidores de temperatura en los distintos
puntos analizados.
2. Hemos notado que muchas veces, durante las mediciones, las
temperaturas no coincidan exactamente con las lneas en las que se
divide cada instrumento lo cual podra causar variaciones
significativas en el resultado obtenido.
3. Hemos observado que en algunos casos, algunas mediciones del
termmetro de inmersin total se realizaban no estando el nivel del
lquido donde sugiere el principio de medicin, lo cual puede ampliar
su margen de error.
4. Hemos notado que el termmetro bimetlico tena una diferencia
muy grande con respecto a las dems medidas, lo cual nos indica que
debe calibrarse aun.
RECOMENDACIONES
1. Consideramos necesaria una tabla de calibracin para cada
medidor de temperatura en el rango en el cual muestre un
significativo margen de error.
2. Recomendamos tener muy presente la temperatura normal de
trabajo al cual estar expuesto el medidor de temperatura a
seleccionar.
3. Sugerimos como medida de seguridad tomar en cuenta un
porcentaje de error al momento de analizar la temperatura.
4. Recomendamos ser muy precisos a la hora de tomar las medidas
para que no haya diferencia entre una lectura y otra, ya que la
temperatura no deja de subir en la cuba de aceite.
5. Recomendamos tambin cuidar de no inclinar los termmetros
durante las mediciones porque pueden chocar con el agitador de la
cuba de aciete.
CONCLUSIONES
1. Concluimos que cada medidor de temperatura tiene un mayor
margen de error cuanto ms cerca este del centro de su respectivo
rango de medidas.
2. Consideramos necesario el uso de medidores digitales de
temperatura en caso sea estrictamente necesario un valor ms
detallado dado que el ojo humano no tiene esa capacidad de
precisin.
3. Segn una primera impresin pensamos inicialmente que deberamos
haber tomado como patrn el termmetro con mayor precisin, pero hemos
concluido al notar los resultados que as un termmetro tenga un buen
grado de precisin, no podr ser asistido por los dems resultados ya
que no tienen su rango de precisin, sino que depende de cun
calibrado est un instrumento lo cual intentamos hallar mediante la
curva de calibracin.
BIBLIOGRAFA
SEYMOUR, Jesse El Laboratorio del Ingeniero Mecnico, Ed Hispano
Americana 1957 Primera Edicin, Buenos Aires ASTM E1. (2007).
Standard Specification for ASTM Liquid-in-Glass Thermometers. ASTM
E77. (2007). Standard Test Method for Inspection and Verification
of Thermometers. Procedimiento para la realizacin de procedimientos
de calibracin. MINER-CEM. Ed. 1, 1998
http://www.teii.com.mx/Termometros_Bimetalicos.html
http://www.solitecperu.com
ANEXOSFotos de la Experiencia::
TERMMETROS DE GAS
El termmetro de gas de volumen constante es muy exacto, y tiene
un margen de aplicacin extraordinario: desde - 27 C hasta 1477 C.
Pero es ms complicado, por lo que se utiliza ms bien como un
instrumento normativo para la graduacin de otros termmetros. El
termmetro de gas a volumen constante se compone de una ampolla con
gas -helio, hidrgeno o nitrgeno, segn la gama de temperaturas
deseada- y un manmetro medidor de la presin. Se pone la ampolla del
gas en el ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta
entonces la columna de mercurio (manmetro) que est en conexin con
la ampolla, para darle un volumen fijo al gas de la ampolla. La
altura de la columna de mercurio indica la presin del gas. A partir
de ella se puede calcular la temperatura.
En un termmetro de gas de volumen constante el volumen del
hidrgeno que hay en una ampolla metlica se mantiene constante
levantando o bajando un depsito. La altura del mercurio del
barmetro se ajusta entonces hasta que toca justo el indicador
superior: la diferencia de los niveles (h) indica entonces la
presin del gas y, a su travs, su temperatura.En un termmetro de gas
de volumen constante el volumen del hidrgeno que hay en una ampolla
metlica se mantiene constante levantando o bajando un depsito. La
altura del mercurio del barmetro se ajusta entonces hasta que toca
justo el indicador superior: la diferencia de los niveles (h)
indica entonces la presin del gas y, a su travs, su
temperatura.
TERMMETROS DE RESISTENCIA DE PLATINOEl termmetro de resistencia
de platino depende de la variacin de la resistencia a la
temperatura de una espiral de alambre de platino. Es el termmetro
ms preciso dentro de la gama de -259 C a 631 C, y se puede emplear
para medir temperaturas hasta de 1127 C. Pero reacciona despacio a
los cambios de temperatura, debido a su gran capacidad trmica y
baja conductividad, por lo que se emplea sobre todo para medir
temperaturas fijas.
PAR TRMICOUn par trmico (o pila termoelctrica) consta de dos
cables de metales diferentes unidos, que producen un voltaje que
vara con la temperatura de la conexin. Se emplean diferentes pares
de metales para las distintas gamas de temperatura, siendo muy
amplio el margen de conjunto: desde -248 C hasta 1477 C. El par
trmico es el termmetro ms preciso en la gama de -631 C a 1064 C y,
como es muy pequeo, puede responder rpidamente a los cambios de
temperatura. Varias sondas termomtricas para ser utilizadas con un
termmetro digital de termopares de laboratorio
PIRMETROS
El pirmetro de radiacin se emplea para medir temperaturas muy
elevadas. Se basa en el calor o la radiacin visible emitida por
objetos calientes, y mide el calor de la radiacin mediante un par
trmico o la luminosidad de la radiacin visible, comparada con un
filamento de tungsteno incandescente conectado a un circuito
elctrico. El pirmetro es el nico termmetro que puede medir
temperaturas superiores a 1477 C.