1

Análisis del comportamiento de dos termopares tipo J y K

Astrid Julieth Martínez Castellanos, Luisa Fernanda López Rodríguez,

María Paula Moreno Alarcón, Katherine Paola Gutiérrez Pérez

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería, proyecto curricular de Ingeniería Industrial

julieth0819@hotmail.com fernanda.0290@hotmail.com

mpmorenoa@gmail.com kazulguti@hotmail.com

Resumen Este es un documento que tiene como objetivo analizar y comparar los termopares tipo K (- 40 a 1.000 °C) y tipo J (-200 a 750 °C), ver sus comportamientos a diferentes temperaturas, teniendo en cuenta los rangos de cada una, y analizar el efecto Seebeck, por el cual se ve regido este comportamiento. Se analizo la relación lineal proporcional respecto a los cambios de temperatura y voltaje, y su desempeño a través del tiempo. Se hicieron montajes para temperaturas bajo 20ºC con nitrógeno líquido, y para superiores con aceite de soya. Se utilizaron multímetros con sensor de temperatura y para medición en mili voltios (mV). Palabras Claves Termopar, Multímetro, Fuerza Electromotriz, Termómetro Abstract This is a document that aims to analize and compare the K and J thermocouples, what their behavior different temperatures, taking into account the ranges of each, and analyze the Seebecj effect, by which this behavior this governed. Linear relationship was analyzed with respect to proportional changes in temperature and voltage, and its performance over time. Mounts were made for temperatures below 20 º C with liquid nitrogen,

and top with soy oil. Multimeters were used sensor for measuring temperature and mill volts (mV). Keywords Thermocouple, Multimeter, Electromotive Force, Thermometer. Introducción Muchas industrias, como la metalurgia, las refinerías de petróleos, y otras, emplean altas temperaturas en sus procesos de fabricación, y el termopar es el equipo más adecuado para la medición de estas temperaturas y la medición de las altas temperaturas se conoce como pirometria. Los termopares estándar cubren un rango de -180°C a 1540°C. Para el presente informe se emplearon termopares tipo K (- 40 a 1.000 °C) y tipo J (-40a+ 750 °C). Un termopar tipo J se usa principalmente en la industria del plástico, goma y fundición de metales a baja temperatura. En tanto que el termopar tipo K se usa en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300°C tal como fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos. Marco Teórico Un termopar (termocupla) es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida, formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de voltaje, que es función de

2

la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia. El Efecto Seebeck es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck. Este efecto provoca la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad. Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las juntas entre los metales A y B induce una diferencia de potencial V. El Efecto Peltier realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión, que se enfría, hasta la otra, que se calienta. El efecto es utilizado para la refrigeración termoeléctrica El Efecto Thomson es una propiedad termoeléctrica descubierta por William Thomson -Lord Kelvin- en 1851 en la que se relacionan el efecto Seebeck y el efecto Peltier. Así, un material (excepto el plomo) sometido a un gradiente térmico y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, una corriente eléctrica es generada por el material sometido a un gradiente térmico y recorrido por un flujo de calor. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier con respecto al efecto Thomson es que éste último existe para un solo material y no necesita la existencia de una soldadura. Hay siete tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras elaboradas por el Instrument Society of America (ISA). El U.S. National Bureau of Standardg (NBS), por su parte, ha preparado tablas de correlación temperatura fem para estas termocuplas, las que han sido publicadas por el American National Standards Institute (ANSI) y el American Society for Testing and Materials (ASTM).

Tipo J (Fe - CuNi ) La termocupla Tipo J, conocida como la termocupla hierro - constantán, es la segunda más utilizada en los EE.UU. El hierro es el conductor positivo, mientras que para el conductor negativo se recurre a una aleación de 55 % de cobre y 45 % de níquel (constantán). Las termocuplas Tipo J resultan satisfactorias para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760º C. Por encima de 540º C, el alambre de hierro se oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental de la termocupla Tipo J es su bajo costo. Las siguientes limitaciones se aplican al uso de las termocuplas Tipo J: No se deben usar en atmósferas sulfurosas

por encima de 540º C. A causa de la oxidación y fragilidad

potencial, no se las recomienda para temperaturas inferiores a 0º C . No deben someterse a ciclos por encima de

760º C , aún durante cortos períodos de tiempo, si en algún momento posterior llegaran a necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperatura. El constantán utilizado para termocuplas

Tipo J no es intercambiable con el constantán de las termocuplas Tipo T y Tipo E, ya que el constantán es el nombre genérico de aleaciones cobre-níquel con un contenido de cobre entre 45 % y 60 %. Los fabricantes de las termocuplas Tipo J regulan la composición del conductor de cobre-níquel de manera que la fem de salida de la termocupla siga la curva de calibración publicada. Los elementos fabricados por las distintas empresas, con frecuencia no son intercambiables para el mismo tipo de termocupla. Tipo K (NiCr - Ni) Se la conoce también como la termocupla Chromel-Alumel (marcas registradas de Hoskins Manufacturing Co., EE.UU.). El Chromel es una aleación de aproximadamente 90% de níquel y 10% de cromo, el Alumel es una aleación de 95% de níquel, más aluminio, silicio y manganeso, razón por la que la norma IEC la especifica NiCr - Ni. La

3

Tipo K es la termocupla que más se utiliza en la industria, debido a su capacidad de resistir mayores temperaturas que la termocupla Tipo J. En la siguiente figura se observa un resumen de los campos de temperatura de aplicación en rangos de temperaturas de los termopares usados.

TABLA COMPARATIVA ENRE TERMOCUPLAS J y K

Des

igna

ción

en

letr

as

segú

n có

digo

A

NSI

J K

Mat

eria

l C

ondu

ctor

Hierro Constantan Cromel Alumel

Cód

igo

de

colo

res

(+) blanco (-) rojo (+) amarillo (-) rojo

Mag

nétic

o

si no no si

Ran

go d

e te

mpe

ratu

ra

(ºC)

0 - 276,6 276,6 - 760 0 - 310 310 - 1260

Apl

icac

ione

s

Puede usarse en el vacio, atmósferas oxidantes, reductoras y de arco

inerte. Ya que el hierro se oxida con rapidez se usan alambres gruesos arriba de 538 ºC. Esta combinación es la más

utilizada por su versatilidad y costo. Se usan principalmente en la industria del plástico,

goma y fundición de metales a baja temperatura.

Uso en oxidantes de 538 ºC. Debe evitarse el

ciclado arriba y debajo de 982 ºC por alteraciones

en la F.E.M. causada por envejecimiento de las

aleaciones. Un envejecimiento previo

disminuye este efecto. Se usan en fundición y

hornos a temperaturas menores de 1300 ºC tal

como fundición de cobre y hornos de tratamientos

térmicos.

Tabla 1. Tabla resumen características de termopares tipo K y tipo J.

Procedimiento Para la prueba experimental de los termopares, la toma de datos se dividió en dos partes:

En primer lugar se tomaron los datos en el rango de 20°C a 122°C por medio de inmersión en aceite de soya debido a su baja conductividad eléctrica y alta conductividad térmica y así evitar un corto circuito, además del alto punto de ebullición que posee. En segundo lugar se tomaron los datos en el

rango 20°C a -126°C por medio de inmersión en nitrógeno líquido. Procedimiento General Toma De Datos:

1. El procedimiento para los datos fue el siguiente:

2. Se mide la tensión que da la termocupla colocada en el ambiente cuya temperatura queremos obtener.

3. Se mide la temperatura ambiente. 4. Con la tabla que da la relación tensión-

temperatura del termopar se obtiene la tensión que corresponde a la temperatura ambiente.

5. Se suman algebraicamente ambas tensiones. 6. De la tabla que da tensión- temperatura para

el termopar que estamos usando se saca entonces la temperatura correcta a la que está sometida la termocupla. Temperaturas Por Encima De 20°C:

Montaje para la termocupla J Se ubicaron los multímetros respectivos FLUKE 83 con el que se midió diferencia de voltaje ( mV) y EXTECH CLAMP METER el cual estaba adecuado y calibrado para la termocupla K la cual se utilizó como termómetro de referencia arrojando datos de temperatura en grados Fahrenheit (ºF) y también un

Fig. 1. Termopares y multímetros utilizados en medición temperaturas por encima de 20

4

cronometro para tener referencia en los cambios de voltaje. Se utilizó una olla en que contenía aceite de soya para llegar a una temperatura mayor a 100 °C y con las tablas dadas buscar el respectivo valor de voltaje y compararlo. Primero se midió la temperatura ambiente a la que se estaba para hacer una corrección del 0 del multímetro FLUKE y la termocupla, luego se unió a la misma medida las termocuplas J y K debido a que la termocupla K fue el termómetro base para la prueba. Finalmente los datos fueron tomados lentamente para así notar el aumento de temperatura y su relación con la fuerza electromotriz (mV), se tomaron datos de temperatura cada 0,1 mV.

Fig. 2. Montaje utilizado termopar J

Montaje Para La Termocupla K Se ubicaron los multímetros respectivos FLUKE 83 con el que medimos diferencia de voltaje ( mV) y EXTECH CLAMP METER el cual estaba adecuado y calibrado para la termocupla K y también un cronometro para tener referencia en los cambios de voltaje.

Fig. 3. Montaje utilizado termopar K

Luego se tomó el multímetro EXTECH CLAMP METER y se coloco en su socket la termocupla K y en sus dos polos también se unieron las terminales del milímetro FLUKE luego se procedió a medir la temperatura ambiente a la que se estaba para hacer una corrección del 0 del multímetro FLUKE y la termocupla, luego se introdujo la termocupla K al aceite y se tomaron los datos lentamente para así notar el aumento de temperatura y su relación con la fuerza electromotriz (mV), estos fueron tomados cada 0,1 mV. Estos datos se ven en la Fig. 3. Temperaturas Inferiores A 20°C:

Fig. 4. Montaje inicial temperaturas inferiores a 20°C

En esta foto se muestra el montaje, que fue utilizado en la realización de la toma de datos de la temperatura desde 20 ° hasta -126. En la parte izquierda se puede observar el termómetro digital que esta conectado a la termocupla k, de igual modo se utilizan dos multímetros uno para medir los mili voltios en la termocupla J y el siguiente multímetro muestra la temperatura de otra termocupla K, con la cual se busca comparar los resultados teniendo en cuenta la diferencia en los instrumentos. Y en la parte derecha se encuentra el nitrógeno líquido, en el que se encuentran los extremos juntos, con las mismas alturas y que se encuentran enrollados en teflón para garantizar que no haya diferencia en distancia y están debidamente engrasadas para garantizar la misma entrada de energía a cada uno de los termopares. Se inicio con la obtención de nitrógeno liquido que facilita el logro de temperaturas hasta –195,8 °C, y se tomaron datos cada 2°C. Para la toma de datos en general se procedió uniendo, el termopar K al multímetro para medir el voltaje en mili voltios, el termopar J a un segundo multímetro para medir la temperatura y se adiciono un termopar tipo K (Niquel+Cobre-Niquel) para un termómetro digital.

5

Para evitar errores en la toma de datos los termopares se unieron con cinta teflón para lograr que todos tomaran la temperatura a la misma altura y en el mismo punto y además se ubico una muestra de grasa conductora en el extremo para conseguir que la temperatura que se reconociera fuera igual en todos los extremos y así evitar fallas por milésimas de milímetros de diferencia. De igual manera se realizo las pruebas para el termopar K.

Ilustración 5.

En esta foto apreciamos el comportamiento de los tres instrumentos de medición utilizados, para llevar a cabo las tablas hicimos la grabación de todo el procedimiento, de este tomamos losa datos y los tiempos. Resultados y Análisis de Resultados Para Los Datos Obtenidos Con Temperaturas Inferiores a 20°C

TIPO J

Temp °C Digit

Dif. de Voltaje

mV

Temp. Multímetro

Dif. de Voltaje

mV

20,0 0,798 18,0 1,596 18,0 0,598 13,0 1,396 16,0 0,398 9,0 1,196 14,0 0,298 5,0 1,096 12,0 0,098 0,0 0,896 10,0 -0,002 -3,0 0,796 8,0 -0,102 -5,0 0,696 6,0 0,098 -8,0 0,896 4,0 -0,002 -12,0 0,796 2,0 -0,002 -14,0 0,796 0,0 -0,102 -17,0 0,696

-2,0 -0,252 -19,0 0,546 -4,0 -0,302 -22,0 0,496 -6,0 -0,402 -29,0 0,396 -8,0 -0,502 -25,0 0,296

-10,0 -0,552 -28,0 0,246 -12,0 -0,652 -30,0 0,146 -14,0 -0,752 -31,0 0,046 -16,0 -0,852 -33,0 -0,054 -18,0 -0,852 -34,0 -0,054 -20,0 -0,952 -38,0 -0,154 -22,0 -1,002 -38,0 -0,204 -24,0 -1,052 -40,0 -0,254 -26,0 -1,202 -41,0 -0,404 -28,0 -1,252 -42,0 -0,454 -30,0 -1,302 -45,0 -0,504 -32,0 -1,402 -48,0 -0,604 -34,0 -1,452 -48,0 -0,654 -36,0 -1,552 -49,0 -0,754 -38,0 -1,602 -51,0 -0,804 -40,0 -1,652 -53,0 -0,854 -42,0 -1,702 -55,0 -0,904 -44,0 -1,852 -56,0 -1,054 -46,0 -1,902 -58,0 -1,104 -48,0 -1,902 -59,0 -1,104 -50,0 -2,002 -61,0 -1,204 -52,0 -2,035 -62,0 -1,237 -54,0 -2,152 -64,0 -1,354 -56,0 -2,252 -66,0 -1,454 -58,0 -2,327 -67,0 -1,529 -60,0 -2,377 -68,0 -1,579 -62,0 -2,452 -70,0 -1,654 -64,0 -2,502 -71,0 -1,704 -66,0 -2,577 -73,0 -1,779 -68,0 -2,652 -75,0 -1,854 -70,0 -2,727 -76,0 -1,929 -72,0 -2,827 -78,0 -2,029 -74,0 -2,902 -79,0 -2,104 -76,0 -2,952 -81,0 -2,154 -78,0 -3,002 -82,0 -2,204 -80,0 -3,052 -84,0 -2,254 -82,0 -3,202 -85,0 -2,404

6

-84,0 -3,252 -87,0 -2,454 -86,0 -3,302 -89,0 -2,504 -88,0 -3,402 -90,0 -2,604 -90,0 -3,452 -91,0 -2,654 -92,0 -3,502 -93,0 -2,704 -94,0 -3,552 -94,0 -2,754 -96,0 -3,652 -96,0 -2,854 -98,0 -3,702 -97,0 -2,904 -100, -3,752 -99,0 -2,954 -102, -3,802 -100,0 -3,004 -104, -3,902 -101,0 -3,104 -106, -3,952 -103,0 -3,154 -108, -4,002 -105,0 -3,204 -110, -4,102 -106,0 -3,304 -112, -4,102 -107,0 -3,304 -114, -4,202 -109,0 -3,404 -116, -4,302 -110,0 -3,504

Tabla 2. Datos experimentales termocupla J, temperaturas inferiores a 20°C

TIPO K

Temp °C Digit

Dif. de Voltaje

mV

Temp. Multímetro

Dif. de Voltaje mV

20 0,798 18,0 0,718 18 0,718 13,0 0,517 16 0,637 9,0 -0,353 14 0,557 5,0 -0,197 12 0,477 0,0 0,000 10 0,397 -3,0 -0,118 8 -0,314 -5,0 -0,197 6 -0,236 -0,5 -0,021 4 -0,157 -3,5 -0,138 2 -0,079 -5,0 -0,197 0 0,000 -9,5 -0,372 -2 -0,079 -10,0 -0,392 -4 -0,157 -12,5 -0,488 -6 -0,236 -17,5 -0,681 -8 -0,314 -16,0 -0,624 -10 -0,392 -19,0 -0,739 -12 -0,469 -21,0 -0,816 -14 -0,547 -22,0 -0,854

-16 -0,624 -24,5 -0,948 -18 -0,701 -25,5 -0,986 -20 -0,777 -28,5 -1,099 -22 -0,854 -30,0 -1,156 -24 -0,930 -31,0 -1,193 -26 -1,005 -33,0 -1,268 -28 -1,081 -35,0 -1,342 -30 -1,156 -37,5 -1,434 -32 -1,231 -39,5 -1,507 -34 -1,305 -40,5 -1,544 -36 -1,379 -42,0 -1,600 -38 -1,453 -43,0 -1,636 -40 -1,527 -45,0 -1,709 -42 -1,600 -46,5 -1,763 -44 -1,673 -49,5 -1,871 -46 -1,745 -51,5 -1,943 -48 -1,817 -50,7 -1,913 -50 -1,889 -52,0 -1,961 -52 -1,961 -53,0 -1,996 -54 -2,032 -56,0 -2,102 -56 -2,102 -57,8 -2,163 -58 -2,173 -59,3 -2,215 -60 -2,243 -61,0 -2,277 -62 -2,312 -62,8 -2,337 -64 -2,381 -64,0 -2,381 -66 -2,450 -66,0 -2,450 -68 -2,518 -67,8 -2,509 -70 -2,586 -69,5 -2,568 -72 -2,654 -71,8 -2,644 -74 -2,721 -76,0 -2,788 -76 -2,788 -75,0 -2,754 -78 -2,854 -76,5 -2,804 -80 -2,920 -78,5 -2,870 -82 -2,985 -81,0 -2,953 -84 -3,050 -83,0 -3,018 -86 -3,115 -84,5 -3,066 -88 -3,179 -86,0 -3,115 -90 -3,242 -87,0 -3,147 -92 -3,305 -89,0 -3,211 -94 -3,368 -90,0 -3,242 -96 -3,430 -92,0 -3,305

7

-98 -3,492 -93,5 -3,352 -100 -3,553 -95,0 -3,399 -102 -3,614 -96,5 -3,445 -104 -3,674 -98,0 -3,492

-106 -3,734 -99,5 -3,537 -108 -3,793 -101,5 -3,598 -110 -3,852 -103,0 -3,644 -112 -3,910 -104,0 -3,674 -114 -3,968 -106,0 -3,734 -116 -4,025 -107,5 -3,778

Tabla 3. Datos experimentales termocupla K, temperaturas inferiores a 20°C

Teniendo en cuenta que se está manejando la misma temperatura se observa un comportamiento muy

similar de los dos termopares sin embargo en zona de temperatura mayor a -3,5°C la grafica muestra una variación mas fuerte que la observada en la parte central de esta, de igual forma se observa un comportamiento diferente en la zona en la que las temperaturas van siendo cada vez mas bajas, exactamente en el punto de temperatura -109°C y voltaje -3,404 mV del termopar tipo J tiene un descenso fuerte que genera un cambio en el comportamiento provocando un corte con la grafica del termopar K en el punto de temperatura 110,5°C y -3,866 mV. Esto nos lleva a pensar que posiblemente a -110,5°C estos termopares tienen respuestas muy similares y por lo tanto sus características responden de manera afín a ciertos estímulos externos. Además de esto los instrumentos de medición alteran los resultados, lo que cual afecta de manera directa la tendencia de la grafica y en consecuencia incide negativamente en las decisiones que se toman en base a estas observaciones. A partir de esto se comprueba que el comportamiento de los materiales varían entre ellos sin importar que las condiciones externas sean iguales por lo que generan respuestas y/o comportamientos a estímulos distintos. Debido que a los datos fueron tomados a una temperatura ambiente de 20° C aproximadamente, se hace necesario un factor de corrección, para que la prueba empiece en 0°C y de esta manera obtener un voltaje de cero en cero grados Celsius, tomando las tablas correspondientes a la temperatura tipo K, y encontrando el voltaje correspondiente a 20°C se hace necesario adicionar 0,798 mV a todos los datos de FEM y así obtener una gráfica con datos calibrados, reales y ubicados en 0°C.

-5,000

-4,000

-3,000

-2,000

-1,000

0,000

1,000

2,000

20,0

14,08,0

2,0

-4,0

-10,

0-1

6,0

-22,

0-2

8,0

-34,

0-4

0,0

-46,

0-5

2,0

-58,

0-6

4,0

-70,

0-7

6,0

-82,

0- 8

8,0

-94,

0-1

00,0

-106

,0-1

12,0

Volta

je (m

V)

Temperatura °C

Termometro DigitalComparacion termopares

TIPO J TIPO K

Ilustración 7. Grafica comparación de termopares basado en datos del termómetro digital.

Ilustración 6. Grafica de comparación de termopares basado en datos del termómetro de termopar con multímetro.

-5,000

-4,000

-3,000

-2,000

-1,000

0,000

1,000

2,000

18,00,0

-3,5

-12,

5-2

1,0

-28,

5-3

5,0

-42,

0-4

9,5

-53,

0-6

1,0

-67,

8-7

5,0

-83,

0-8

9,0

-95,

0-1

01,5

-107

,5-1

13,0

Volta

je (m

V)

Temperatura (°C)

Termometro multimetroComparacion termopares

TIPO J TIPO K

8

En la gráfica se muestra dos correlaciones, la línea de color rojo muestra los datos que arroja el multímetro sin ningún factor de corrección, y por otra parte la línea azul muestra los datos que

arroja el multímetro pero adicionándole el factor de corrección correspondiente. Es importante mostrar esta comparación en la gráfica, debido a que se nota una clara diferencia en el voltaje y con la corrección se busca situar en el valor cero los mili voltios y la temperatura, debido a que según el efecto Seebeck en el cual se enuncia la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad, obteniendo el siguiente análisis: Si la diferencia de temperatura es cero, la electricidad producida debe

ser cero, es por este motivo que se hace necesario la aplicación del factor de corrección. Es importante ver como los instrumentos de medición forman una parte esencial en la toma de datos ya que se observan claras diferencias en las temperaturas tomadas debido a que una de estas fue tomada con un multímetro digital que es la línea roja y la línea azul es la temperatura arrojada por el multímetro, para efectos de análisis de graficas de temperatura es mas conveniente el termómetro digital. En esta grafica se encuentra la relación entre el tiempo y la diferencia de voltaje, en la que se

muestre que entre 0 seg y 22 seg el comportamiento de cada termopar es muy distinto, sin embargo desde 22 segundos hasta 52 segundos aproximadamente, los comportamientos de los

termopares son muy parecidos, y a partir de 68 segundos el comportamiento del termopar tipo K y tipo J, cambian de posición, de esta manera el termopar K en la primera parte se encontraba a menor voltaje que el termopar J, y en la segunda parte este termopar K adquiere mayor voltaje, lo que hace que esté por encima del termopar tipo J. En esta grafica se observa una relación lineal en la cual se muestra que la temperatura desciende mientras el tiempo aumenta. Es una relación lineal que implica que no hay ninguna correlación adicional entre estas dos variables. Adicional a esto se concluye que por mas que pase el tiempo la temperatura seguirá descendiendo de manera inversamente proporcional, sin embargo si se llega a -195 °C, que es la temperatura máxima del nitrógeno liquido, se creara una línea paralela al eje x debido a que no descenderá mas la temperatura

Ilustración 10. Grafica del termopar J con datos calibrados y sin calibrar.

Ilustración 8. Grafica de relación de diferencias de temperatura con termómetro digital y con sensor de termómetro del multímetro.

Ilustración 9. Grafica de tiempo vs. voltaje para cada termopar.

Ilustración 11. Grafica Tiempo versos temperatura según el termómetro digital.

9

Para Los Datos Obtenidos Con Temperaturas Superiores a 20°C

No

de

Med

ició

n

Tem

pera

tur

a (°

C)

Vol

taje

m

V

Tie

mpo

(s

egun

dos)

Vol

taje

(mV

) co

n co

rrec

ción

1 26 0 0 1,329 2 26 0,1 2,09 1,429 3 27 0,2 4,03 1,529 4 29 0,3 116,03 1,629 5 32 0,4 135,08 1,729 6 34 0,5 153,06 1,829 7 36 0,6 158,09 1,929 8 38 0,7 166,05 2,029 9 41 0,8 174,05 2,129

10 44 0,9 183 2,229 11 46 1 192,09 2,329 12 49 1,1 203,03 2,429 13 52 1,2 214,03 2,529 14 54 1,3 223,05 2,629 15 57 1,4 235,08 2,729 16 59 1,5 247,06 2,829 17 62 1,6 257,05 2,929 18 64 1,7 269,03 3,029 19 67 1,8 280 3,129 20 69 1,9 292 3,229 21 71 2 303,05 3,329 22 74 2,1 315,07 3,429 23 77 2,2 330,05 3,529 24 79 2,3 341,03 3,629 25 82 2,4 354,09 3,729 26 84 2,5 368,08 3,829 27 86 2,6 380,08 3,929 28 89 2,7 394 4,029 29 91 2,8 407,05 4,129 30 94 2,9 422,03 4,229

31 96 3 435,03 4,329 32 99 3,1 450,05 4,429 33 101 3,2 465,09 4,529

34 104 3,3 479,08 4,629 35 106 3,4 494,03 4,729 36 109 3,5 509,29 4,829 37 112 3,6 525,08 4,929 38 114 3,7 540,6 5,029 39 117 3,8 555,05 5,129 40 119 3,9 570,02 5,229 41 122 4 588,09 5,329 42 124 4,1 604,08 5,429 43 126 4,2 617,08 5,529 44 129 4,3 635,08 5,629 45 132 4,4 648,08 5,729 46 134 4,5 663,06 5,829 47 137 4,6 680,04 5,929 48 139 4,7 696,08 6,029 49 142 4,8 714,08 6,129 50 144 4,9 733,06 6,229 51 147 5 748,08 6,329 52 149 5,1 767,03 6,429 53 152 5,2 788,03 6,529 54 154 5,3 804,05 6,629 55 157 5,4 827,05 6,729

Tabla 4. Datos experimentales termopar J, temperaturas superiores a 20°C

No

de

Med

ició

n

Tem

pera

tura

(°

C)

Vol

taje

m

V

Tie

mpo

(s

egun

dos)

Vol

taje

(mV

) co

n co

rrec

ción

1 23 0 0 0,919 2 24 0,1 67,03 1,019 3 27 0,2 178,09 1,119 4 29 0,3 201,03 1,219 5 32 0,4 228,03 1,319 6 34 0,5 243,09 1,419 7 36 0,6 277,08 1,519 8 39 0,7 304,03 1,619 9 42 0,8 326 1,719 10 44 0,9 340,06 1,819 11 47 1 367,09 1,919 12 49 1,1 384,05 2,019

10

13 52 1,2 397,08 2,119 14 54 1,3 416,08 2,219 15 57 1,4 436,03 2,319 16 59 1,5 452,08 2,419 17 62 1,6 468,08 2,519 18 64 1,7 487,04 2,619 19 67 1,8 507,08 2,719 20 69 1,9 526,05 2,819 21 72 2 542,03 2,919 22 74 2,1 564,03 3,019 23 77 2,2 597,03 3,119 24 79 2,3 609,03 3,219 25 84 2,4 603,03 3,319 26 84 2,5 638,03 3,419 27 87 2,6 640,03 3,519 28 89 2,7 672,03 3,619 29 92 2,8 675,08 3,719 30 94 2,9 678,02 3,819 31 97 3 703,03 3,919 32 99 3,1 720,06 4,019 33 102 3,2 739,08 4,119 34 104 3,3 748,03 4,219 35 107 3,4 779,02 4,319 36 109 3,5 813,05 4,419 37 112 3,6 819,08 4,519 38 115 3,7 822,03 4,619 39 117 3,8 846,05 4,719 40 121 3,9 848,05 4,819 41 122 4 851,08 4,919

Tabla 5. Datos experimentales termopar K, temperaturas superiores a 20°C

ANALISIS TERMOCUPLA J: Gráfica de voltaje Vs temperatura esta grafica se tomo con los datos correspondientes a la tabla 1 columnas 7 y 2 respectivamente que nos muestras los datos corregidos teniendo en cuenta el voltaje a temperatura ambiente y la temperatura en grados centígrados tomando como variable dependiente a en voltaje e independiente la temperatura En la grafica 1 se analizó el rango de temperatura comprendido entre 26 y 157 ºC, y se observa una linealidad perfecta entre el aumento del voltaje conforme va aumentando la temperatura lo que nos dice que nuestras variables son directamente proporcionales. GRAFICA VOLTAJE Vs TIEMPO Esta grafica se tomo con los datos correspondientes a la tabla 1 columnas 7 y 6 respectivamente que muestra los datos corregidos teniendo en cuenta el voltaje a temperatura ambiente y el tiempo en segundos.

Ilustración 12. voltaje Vs temperatura termocupla J

11

En la primera parte de la Grafica No 2 las mediciones se alejaron de los datos de la recta de linealización esto se debe a que al principio la estufa demoró en subir la temperatura luego se recupera un ritmo gradual y se ve otra ves una relación lineal entre el tiempo transcurrido del procedimiento y el aumento de voltaje, esto indica que no existen cambios bruscos respecto al voltaje que se observa ni a la temperatura analizada a lo largo del proceso. ANALISIS TERMOCUPLA K: Gráfica de voltaje Vs temperatura Esta grafica se tomo con los datos correspondientes a la tabla 2 columnas 7 y 2 respectivamente que nos muestras los datos

corregidos teniendo en cuenta el voltaje a temperatura ambiente y la temperatura en grados centígrados tomando como variable dependiente a en voltaje e independiente la temperatura.

En el Grafica No 3 se analiza la misma linealidad que para la J y vemos que el aumento de voltaje con respecto al de temperatura es proporcional y nuestras variable son directamente proporcionales. El rango de temperatura analizado está entre 23 y 122 ºC. GRAFICA VOLTAJE Vs TIEMPO Esta grafica se tomo con los datos correspondientes a la tabla 2 columnas 7 y 6 respectivamente que nos muestras los datos corregidos teniendo en cuenta el voltaje a temperatura ambiente y el tiempo en segundos tomando como variable dependiente a en voltaje e independiente el tiempo. Podemos observar que en la primera parte la Grafica No 4 los datos de nuestra recta de linealización esto se debió a que al principio nuestra

estufa de

moro

en sub

ir la temper

atura

luego

se recupera un ritmo gradual y vemos otra ves una relación lineal entre el tiempo transcurrido del procedimiento y el aumento de voltaje, esto nos indica que no existen cambios bruscos respecto al voltaje que se observa ni a la temperatura analizada a lo largo del proceso. Comparación De Las Termopares J Y K Datos Experimentales En esta grafica se tomo con los datos correspondientes a la tabla 1 columnas 7 y 2 respectivamente para ambas termocuplas J y K ,nos muestras los datos corregidos teniendo en cuenta el voltaje a temperatura ambiente y la temperatura en grados centígrados tomando como variable dependiente a en voltaje e independiente la temperatura.

Ilustración 14. Voltaje vs. Tiempo termocupla J

Ilustración 15. Voltaje Vs temperatura termocupla K

Ilustración 13. Voltaje Vs tiempo termocupla K

12

En la

Grafica No 5 Observamos que la termocupla tipo j tiene una mayor pendiente significaría que una misma variación de temperatura genera una mayor variación de diferencia de potencial, esto serviría para usar una u otra dependiendo de la precisión que se desee tener al medir una temperatura Comparación De Los Datos Teóricos Y Experimentales Datos Experimentales Comparados Con Teóricos

TERMOPAR J TEM C TEORICOS EXPERIMEN

26 1,329 1,329 27 1,381 1,429 29 1,484 1,529 32 1,640 1,629 34 1,745 1,729 36 1,849 1,829 38 1,954 1,929 41 2,111 2,029 44 2,268 2,129 46 2,374 2,229 49 2,532 2,329 52 2,691 2,429 54 2,796 2,529 57 2,956 2,629 59 3,062 2,729 62 3,221 2,829 64 3,328 2,929 67 3,488 3,029 69 3,595 3,129

71 3,702 3,229 74 3,863 3,329 77 4,024 3,429 79 4,132 3,529 82 4,293 3,629 84 4,401 3,729 86 4,509 3,829 89 4,671 3,929 91 4,780 4,029 94 4,942 4,129 96 5,050 4,229 99 5,213 4,329

101 5,322 4,429 104 5,485 4,529 106 5,594 4,629 109 5,758 4,729 112 5,921 4,829 114 6,031 4,929 117 6,195 5,029 119 6,304 5,129 122 6,468 5,229

Ilustración 17. Datos experimentales comparados con teóricos termopar J

termopar K TEM C TEORICOS EXPERIMEN

23 0,919 0,919 24 0,96 1,019 27 1,081 1,119 29 1,162 1,219 32 1,285 1,319 34 1,366 1,419 36 1,448 1,519 39 1,57 1,619 42 1,693 1,719 44 1,776 1,819 47 1,899 1,919 49 1,981 2,019 52 2,105 2,119 54 2,188 2,219 57 2,312 2,319 59 2,394 2,419 62 2,519 2,519 64 2,601 2,619 67 2,726 2,719 69 2,809 2,819 72 2,933 2,919 74 3,016 3,019

Ilustración 16. Comparacion de termocuplas J y K voltaje Vs temperatura

13

77 3,141 3,119 79 3,224 3,219 84 3,432 3,319 84 3,432 3,419 87 3,556 3,519 89 3,639 3,619 92 3,764 3,719 94 3,847 3,819 97 3,971 3,919 99 4,054 4,019

102 4,178 4,119 104 4,261 4,219 107 4,384 4,319 109 4,467 4,419 112 4,59 4,519 115 4,714 4,619 117 4,796 4,719 121 4,96 4,819 122 5,001 4,919

Ilustración 18. Datos experimentales comparados con teóricos termopar K

Grafica De Relación Datos De Las Tablas O (Teóricos)Y Datos Experimentales: Observamos que nos muestras los datos corregidos

teniendo en cuenta el voltaje a temperatura ambiente y la temperatura en grados centígrados tomando como variable dependiente a en voltaje e

independiente la temperatura. La Grafica No 6 se tomo con los datos correspondientes a la tabla 3 columnas 2 de temperatura para las graficas de los datos teóricos columna 3 y datos experimentales columna 4 para la termopar J en la grafica se hace referencia a las tablas termopar J y datos experimentales termopar J en donde se observó que los datos teóricos se alejan de los datos experimentales a partir de una temperatura de 40 grados y también en la columna 5 para las grafica de los datos teóricos columna 6 y datos experimentales columna 7 para la termopar K en la grafica se refiere a las de las tablas termopar K y datos experimentales termopar K en donde se observa que los datos teóricos y los prácticos se ajustan perfectamente. Se puede observar en la Grafica 6 y grafica 7 que la tendencia de las termopares según los datos experimentales obtenidos y los teóricos no se alejan demasiado uno de otro excepto en la termocupla J

Ilustración 20. Compracion de los datos teoricos con practicos termocuplas J y K

Ilustración 19. Graficas respectivas de las 7 diferentes termopares.

14

CONCLUSIONES A pesar de la simpleza del arreglo

experimental usado, los resultados obtenidos con las sustancias de referencia, se adecuaron a lo esperado. Para altas temperaturas se pudo apreciar la linealidad de la termocupla K y J en el rango estudiado como se esperaba a partir de los datos del fabricante. Los medios de inmersión de las termocuplas

se hicieron en nitrógeno líquido y con aceite de soya, esto con el fin de cubrir el máximo rango de temperatura que se podía analizar con los medios disponibles, pues temperaturas más altas habrían podido conseguirse con un horno adaptado para este tipo de procesos.Cuando hay que hacer medidas de valores altos de temperatura, tales como los que existen en hornos, llamas de calentadores, estufas incandescentes y otras, se necesitan transductores que cumplan ciertos requisitos dentro del rango de temperaturas que se quiere cubrir, requisitos tales como sensibilidad y linealidad, y que al mismo tiempo sean lo suficientemente robustos como para no deteriorarse fácilmente con el uso repetido en las duras condiciones de medida en las que se utilizan. El tiempo también es importante, pues no

existen cambios bruscos en los valores de temperatura y voltaje (aumentos rápidos o muy lentos) y con esto se dice también que la relación del aumento de la temperatura y el diferencial de potencial es lineal o proporcional. Se concluye que la termocupla K para

valores superiores a 23 ºC arrojó valores demasiado cercanos a los teóricos y su margen de error fue mínimo. Por otro lado en la termocupla J para valore superiores a 26 ºC se observa que tuvo errores en el modo en que se tomaron los datos específicamente el tiempo de calentamiento del aceite. Se analiza que la pendiente de la termocupla J es mayor que la K, lo significaría que una misma variación de temperatura genera una mayor variación de diferencia de potencial en la termocupla J lo cual serviría para usar una u otra dependiendo de la precisión que se desee tener al medir una temperatura. La precisión quiere decir que se va a medir

y se tiene menor incertidumbre respecto al valor que se esta midiendo, eso depende del material de la termocupla, se puede tener una termocupla muy precisa pero no serviría para medir a temperaturas muy altas o bajas porque pierde la relación lineal y tocaría usar una menos precisa pero que si mida en

ese rango de temperatura, lo importante es su linealidad en los datos. Los cables de las termocuplas tienen

muchas veces terminales que permiten conectarlos con el circuito electrónico de adquisición. Los pines de los conectores están construidos de materiales o aleaciones adecuadas para no alterar la FEM generada en la unión de medición, permitiendo así la rápida conexión o desacople del sensor a utilizar sin afectar de forma alguna la uniformidad del termo elemento. Con respecto al reconocimiento de los

termopares: • Termocuplas tipo J.: Una termocupla tipo J

está formada por un conductor de Hierro y otro de Constantan (aleación de Cobre Níquel) . El alambre de Hierro es gris opaco , en casos se recubre con cobre para protegerlo , pero su característica fundamental es que es magnético. El Constantan es plateado brillante y muy levemente magnético.

• Termocuplas tipo K.: Una termocupla tipo K está formada por un conductor de Cromel (aleación de Cromo Aluminio) y otro de Alumel (aleación de Aluminio Níquel) . Ambos son de color plateado brillante pero el Alumel es levemente magnético debido a su contenido de Níquel.

15