Mediciones de temperatura, presión y flujo

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Mediciones de temperatura, presión y flujo

Departamento de Ingeniería mecánica Universidad de Santiago de Chile 2018

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Víctor A. Martínez

1. Introducción.

Según el vocabulario internacional de metrología VIM 2008, la medición es un proceso que consiste en obtener experimentalmente uno o varios valores que pueden atribuirse razonablemente a una magnitud. Por lo tanto el objetivo de una medición es determinar una expresión cuantitativa de una magnitud particular sometida a medición (mensurando), generalmente en forma de una unidad de medida multiplicada por un número [1]. A partir de lo anterior se puede establecer que la realización de una medición, debe comenzar con una adecuada definición del mensurando, del conjunto de operaciones para desarrollar la medición (método de medida) y del principio sobre el que se fundamenta la misma con el fin de establecer el alcance y limitaciones del método e instrumento empleado. El laboratorio de “mediciones de temperatura, presión y flujo” busca exponer a los estudiantes los conceptos y las técnicas más ampliamente usadas en ingeniería para efectuar la medición de la presión, temperatura y flujo además de los principios básicos asociados. Se busca por lo tanto incentivar al estudiante en la evaluación de los errores asociados al procedimiento de medida escogido y en la formulación de soluciones que permitan corregir dichos errores.[pic 3]

1. Objetivo general.

Identificar y aplicar diferentes tecnologías existentes en la medición de la temperatura, presión y flujo, comprendiendo el principio sobre el que se fundamenta su funcionamiento, además de las limitaciones de cada uno.

1. Objetivos específicos.

• Implementar circuitos termoeléctricos para la medición de la temperatura reconociendo cada una de las partes involucradas.
• Verificar el efecto Seebeck y relacionarlo con el uso de termopares para la determinación de temperaturas.
• Contrastar el comportamiento NTC de la resistencia eléctrica de un termistor con la temperatura.
• Medir la presión atmosférica mediante un barómetro de mercurio, identificando la metodología adecuada para su correcta determinación.
• Determinar el flujo volumétrico a través de un ducto de sección transversal rectangular mediante una sonda de Prandtl y un anemómetro, contrastando ambos resultados.
• Determinar el flujo másico a través de un ducto de sección transversal rectangular, verificando la influencia de la temperatura.

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1. Marco teórico.

1. Temperatura.

La temperatura es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema, es decir, del grado de actividad molecular del mismo [2] y su correcta determinación es fundamental en ciencias e ingeniería. Para estos efectos, resulta necesario definir escalas que permitan establecer una base común para las mediciones a realizar, dichas escalas se clasifican como relativas o absolutas. Las escalas relativas están basadas en un invariante termofísico que sirve como referencia. Por ejemplo, en la escala Celsius (°C) la referencia escogida es el punto triple del agua, en el cual coexisten las tres fases en equilibrio. Por otra parte las escalas absolutas son escalas independientes de las propiedades de cualquier sustancia y se basan en el cero absoluto, estado hipotético en el cual las partículas de un sistema se encuentran en su estado basal de energía.

Para cuantificar la magnitud de la temperatura de un sistema el funcionamiento de los dispositivos térmicos está fundamentado en el denominado principio cero de la termodinámica que establece que si un sistema A está en equilibrio térmico con dos sistemas B y C, entonces los sistemas B y C están en equilibrio térmico o dicho de otra manera, dos cuerpos están en equilibrio térmico, si ambos tiene la misma lectura de temperatura [2]. Lo anterior sumado al hecho que buena parte de las propiedades de los materiales cambia de manera predecible y repetible con la temperatura, la medición de la misma puede realizarse mediante instrumentos basados en diferentes principios de operación tales como los termómetros de vidrio, de presión, los pirómetros, los termopares, termistores, entre otros. Para efectos de esta experiencia, en las secciones posteriores, se precisan dos tecnologías ampliamente utilizadas en la industria como son los termistores y termopares.

1. Termistores.

El término termistor hace alusión al inglés thermistor, palabra compuesta formada por los vocablos “thermally sensitive resistor” y es empleado para referirse a un tipo de sensor resistivo, es decir, sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica [3]. En particular los termistores (Figura 1) se fundamentan en la variación de la resistencia eléctrica del material sensor respecto de la temperatura, pero a diferencia de los RTD1, esta no es un material conductor sino un material semiconductor, principalmente óxidos metálicos. Los termistores se clasifican de acuerdo al valor de su coeficiente de temperatura. Cuando la resistencia eléctrica del termistor disminuye con la

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1 Los detectores de temperatura resistivos (RTD), se fundamentan en la variación de la resistencia de un material conductor con la temperatura.

temperatura el valor del coeficiente es negativo y el dispositivo se clasifica como un termistor NTC, en caso contrario el coeficiente es positivo y el termistor se clasifica como PTC.

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Figura 1. Símbolo para una resistencia con dependencia de la temperatura.

Los termistores NTC son fabricados mediante la mezcla y sinterización de óxidos dopados de metales como el níquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre. Siendo entonces la proporción de óxidos lo que determina la resistencia y el coeficiente de temperatura del mismo. Para los termistores NTC en un intervalo de temperatura reducido (50ºC) la relación entre la temperatura y la resistencia es altamente no lineal y puede describirse por la expresión exponencial mostrada en la ecuación 1:

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