Laboratorio de Control de Procesos
Práctica Nº 1
PRÁCTICA Nº 1 SENSORES TERMOELÉCTRICOS TERMOPARES- TERMOCUPLAS Objetivo General: Evaluar el funcionamiento de sensores termoeléctricos termocuplas, de distintas características, empleados para medir temperatura en circuitos de control de procesos, detectando la señal eléctrica que generan en función de la temperatura. Objetivos Específicos: 1. Determinar el efecto Seebeck en Termocuplas. 2. Encontrar y analizar la función que relacione la señal eléctrica con la variable temperatura de interés (T). 3. Determinar el efecto del grosor de los alambres en el efecto Seebeck. Bases Teóricas
SENSORES TERMOELÉCTRICOS TERMOPARES- TERMOCUPLAS •Un termopar esta constituido por dos metales diferentes, unidos físicamente en sus extremos. En la u nión se crea una diferencia de potencial que depende de la temperatura (efecto termoeléctrico), que comparada con la que se genera en otra unión similar sometida a condiciones térmicas de referencia, da una medida de la temperatura existente en la primera unión.
Figura 1: Conexión básica de un termopar
Los sensores termoeléctricos son dispositivos dispositivos que presentan gran alcance de medida ( -200°C a 3000°C), baja sensibilidad (5 a 75 µV/°C) y una respuesta no lineal, pero son de alta fiabilidad, buena estabilidad, rápida respuesta, relativo bajo costo además son componentes robustos y sencillos. •
El principio de funcionamiento de los sensores termoeléctricos se basa en los descubrimientos de Thomas Johann Seebeck 1822, de Jean C.A. Peltier 1834 y William Thompson 1847, d enominados efecto Seebeck, efecto Peltier y efecto Thompson. •
Efecto Seebeck en un termopar En un sistema que cuenta con dos materiales diferentes A y B, con dos uniones a diferente temperatura, el efecto Seebeck consiste en la aparición de una corriente eléctrica de intensidad i, que no depende de ni de la resistencia del conductor ni de la sección, sólo depende de la diferencia de temperaturas entre las uniones. •
Si el circuito se abre, aparece una fuerza termoelectromotriz, termoelectromotriz, ftem, que depende de los metales y de la diferencia de temperatura entre las uniones. •
Figura 2: Efecto Seebeck en un termopar termopar Aparición de una una diferencia de potencial
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La relación entre la f.t.e.m., E AB, y la diferencia de temperaturas entre las uniones, dT, define el coeficiente Seebeck, α AB [Rowe, D. M. 1995]:
Ecuación 1: αA (T)
y αB (T ) son respectivamente las potencias termoeléctricas absolutas de A y B y son características de cada metal. En
general, αAB no es constante, sino que depende de la temperatura T. El efecto Seebeck es solamente un efecto termoeléctrico que convierte calor en electricidad.
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En rigor el efecto Seebeck no es un efecto d e juntura. Pero es muy aplicado a materiales con características diferentes.
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Se aplica a: Termocuplas en la medición de temperatura; Termopilas en la g eneración de electricidad; Termoelectricidad en sistemas de enfriamiento •
Clasificación de termocuplas La siguiente tabla 1 muestra los tipos habituales del termopar, aleaciones y el rango de temperatura en el que puede operar. Tipo de Termopar Materiales Rango de aplicación en C B Platino 30%, Rodio (+) Platino 6%, Rodio (-) 1370 a 1700 C W5Re Tungsteno 5% Rhenium (+) 1650 a 2315 W26Re Tungsteno 26% Rhenium E Cromo (+) Constantano (-) 95 a 900 J Acero (+) Constantano (-) 95 a 760 K Cromo (+) Alumel (-) 95 a 1260 N Nicrosil (+) Nisil (-) 650 a 1260 R Platino 13% Rodio (+) Platino (-) 870 a 1450 S Platino 10% Rodio (+) Platino (-) 980 a 1450 T Cobre (+) Constantano (-) -200 a 350 Estos termopares son de tipo estándar y tiene los siguientes código de colores de acuerdo a l tipo descrito en la tabla 1 para su fácil conexión a los instrumentos o dispositivos de medición de temperatura. Figura 3:
Algunos criterios para seleccionar el tipo adecuado de termopar a usar son: 1. Rango de temperatura a medir. 2. Tolerancia y cantidad de error que permite la aplicación 3. ¿Es posible que el termopar toque al objeto sin que este sea invasivo y altere al objeto? 4. ¿Qué tipo de contacto fisco se requiere para sensar la temperatura?
Figura 5: FEM en función de la tem eratura
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Construcción de Termocuplas Desde el punto de vista constructivo, la unión p uede hacerse por contacto (arrollamiento), o soldadura.
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Para conseguir la inmunidad requerida frente al medio en función de los materiales y del ambiente de trabajo, el termopar puede aparecer al aire o incluido dentro de una vaina protectora (lo que resulta determinante en la velocidad de respuesta). En este último caso, la unión puede conectarse a la vaina (puesta a tierra) o quedar eléctricamente aislada. •
Diseño de las Termocuplas Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termocuplas son: Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente.
–
Deben producir una salida e léctrica mensurable y estable.
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Deben tener la precisión requerida.
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Deben responder con la velocidad necesaria
–
Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura.
–
Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa
–
Deben ser económicos .
–
Registro y procesamiento de la señal: La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la temperatura no es lineal ( no es una recta ) , es deber del intrum ento electrónico destinado a m ostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir tomar el voltaje y conociendo el tipo de termocupla, ver en tablas internas a que temperatura corresponde este voltaje.
Compensación de cero El principal inconveniente de las termocuplas es su necesidad de "compensación de cero". Esto se debe a que en algún punto, habrá que empalmar los cables de la termocupla con un conductor normal de cobre. En ese punto se producirán dós nuevas termocuplas con el cobre como metal para ambas, generando cada una un voltaje prorcional a la temperatura de ambiente ( Ta ) en el punto del empalme. Figura 6:
Metal A
Cobre V = V ( T ) - V ( Ta )
Metal B
Cobre
Figura 7
Antiguamente se solucionaba este problema colocando los empalmes en un baño de hielo a cero grados para que generen cero voltaje (Ta = 0 y luego V(Ta) = 0 ). Actualmente todos los instrumentos modernos miden la temperatura en ese punto (mediante un sensor de temperatura adicional ) y la suman para crear la compensación y obtener así la temperatura real. El punto de empalme (llamado "unión ó juntura de referencia") es siempre en el conector a la entrada del instrumento pues ahí está el sensor de temperatura. De modo que es necesario llegar con el cable de la termocupla hasta el mismo instrumento. Es posible conectar a un dispositivo múltiples puntos de temperatura o termopares en distintas zonas para registrarlas e interpretarlas posteriormente, ver siguiente figura
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Figura 8: Medición en múltiples puntos
En la figura anterior se aprecia un conjunto de termopares con una referencia de temperatura (posible baño en hielo) conectados mediante un cable plano multiconductor hacia un multiplexor y luego al dispositivo que mide el voltaje de cada termopar individualmente. Análisis de Variables Variable y Símbolo Termocupla Señal eléctrica Temperatura (T) Fluido de calentamiento (F)
Tipo
Niveles de variación K1(gruesa) K2 (delgada) No determinado 10ºC a 90ºC
Manipulable Dependiente Independiente Manipulable Manipulable
Diseño de Experimentación Nº de Termocupla Pruebas 1 K1 2 K2 3 K1
Agua Aceite
Instrumento --Milivoltímetro Termómetro de Hg Vaso de Precipitados
Fluido Agua Agua Aceite
Materiales y equipos: 1 Milivoltímetro 1 Termómetro de Hg 2 Termocuplas Tipo K de grosores distintos 1 Cocinilla eléctrica. 2 Vasos de Precipitados Agua líquida o aceite Hielo Procedimiento 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Observar los materiales y equipos. Familiarizarse con el manejo de los instrumentos en función de los objetivos de la práctica. Construir un circuito como el de la Figura 1, Colocar el extremo T1 en el vaso de precipitados que contiene agua líquida o aceite. Colocar el extremo T2 en el vaso con hielo. Calentar el agua o aceite, y registrar el cambio de temperatura y los correspondientes cambios de voltaje. Calcular el efecto Seebeck para el caso. Analizar la experiencia y sus resultados y emitir conclusiones y recomendaciones.
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HOJA DE RECOJO DE DATOS GRUPO: _______ TURNO: ___________ Coordinador(a): _____________________ Operadores: Nº Prueba
_____________________ Tiempo (minutos)
Milivoltios (mv)
FECHA: _____________ Seguridad: __________________
Información: _________________
___________________________
_____________________________
Temperatura (ºC)
Observaciones
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