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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE
BIOTECNOLOGÍA “UPIBI”
PRACTICA 7
“SENSORES DE TEMPERATURA (TERMOPARES)”
EQUIPO 6
MATERIA: LABORATORIO DE INSTUMENTACION Y CONTROL
INTEGRANTES:
- CAMILA ANGUIANO TAVERA
- GONZÁLEZ AQUINO ANA DANIELA
- SILVA MORALES ANDREA JAQUELINE GRUPO: 3AM PROFESORES:
- ANA ISABEL GARCIA MONROY
- CUAN SÁNCHEZ JORGE Fecha de entrega: 27 /agosto/
Contenido
- Objetivos..................................................................................................................................
- Materiales y Equipo
- Introducción
- Metodología.............................................................................................................................
- Desarrollo de la práctica
- Termopares empleados
- I) Respuesta del termopar al aumento de temperatura
- II) Respuesta del termopar a la disminución de temperatura
- Resultados
- III) Medición con termopar sin punta fría
- Aplicamos calor
- Aplicamos frio
- Análisis de Resultados
- ¿Por qué usamos un termómetro y no solo el termopar?
- ¿Qué nos dice la gráfica?
- Curva ascendente (calentamiento)...................................................................................
- Curva descendente (enfriamiento)
- La clave: la linealidad.......................................................................................................
- Cuestionario
- Conclusiones
- Anguiano Tavera Camila......................................................................................................
- Silva Morales Andrea
- González Aquino Ana Daniela
- Referencias
Los termopares son valorados por su capacidad para medir temperaturas en un amplio rango, desde temperaturas criogénicas hasta temperaturas superiores a 2000 °C, dependiendo de los materiales utilizados. Esto los hace ideales para aplicaciones en la industria metalúrgica, la generación de energía, la investigación científica y la automoción, entre otros campos. Existen varios métodos para unir dos metales disímiles en un termopar, cada uno con sus ventajas y desventajas:
- Fusión: Uno de los métodos es fundir los metales juntos. Este proceso puede producir una unión frágil, y si no se protege adecuadamente de los esfuerzos mecánicos, el termopar puede fracturarse y romperse. Durante el proceso de fundición, los gases pueden difundirse en el metal, lo que puede modificar las características del termopar y afectar su precisión. Además, la fusión puede introducir impurezas que alteran las propiedades eléctricas de los metales.
- Soldadura: Otro método para unir dos metales distintos es soldar los alambres juntos. Sin embargo, esto introduce un tercer metal diferente, lo que puede complicar la medición. Afortunadamente, si ambos lados del termopar están a la misma temperatura, el voltaje Seebeck generado por la acción del termopar entre los dos metales y el metal de soldadura tendrá voltajes iguales y opuestos, lo que resulta en la cancelación del efecto. Esto es crucial para mantener la precisión en las mediciones. Sin embargo, la soldadura puede ser problemática en aplicaciones de alta temperatura, ya que el material de soldadura puede tener un punto de fusión más bajo que el de los metales del termopar, lo que puede llevar a la separación de los metales y a la pérdida de funcionalidad.
- Conexiones mecánicas: También se pueden utilizar conexiones mecánicas, como abrazaderas o conectores, que evitan la introducción de un tercer metal. Este método puede ser más efectivo en aplicaciones donde se requiere una alta confiabilidad y resistencia a temperaturas extremas. Las conexiones mecánicas pueden ser más fáciles de implementar y permiten un mantenimiento más sencillo, aunque pueden ser menos efectivas en términos de conductividad térmica.
- Termopares de unión por difusión: Este método implica la unión de los metales a través de un proceso de difusión a alta temperatura, donde los átomos de los metales se mezclan en la interfaz. Este tipo de unión puede proporcionar una conexión más robusta y duradera, pero requiere condiciones controladas y puede ser más costosa. Una desventaja importante de los termopares es que, aunque son transductores útiles para mediciones a altas temperaturas, en muchos casos las temperaturas a medir son más altas que el punto de fusión del material de la soldadura. Esto puede llevar a la separación de los metales en el termopar, comprometiendo su
funcionalidad. Por lo tanto, es esencial seleccionar materiales adecuados que puedan soportar las condiciones de operación específicas. Además, la calibración regular de los termopares es crucial para garantizar mediciones precisas, ya que el envejecimiento y el desgaste pueden afectar su rendimiento. En resumen, los termopares son dispositivos versátiles y efectivos para la medición de temperatura, basados en el principio del efecto Seebeck. Su diseño y construcción requieren atención cuidadosa para garantizar su precisión y durabilidad en diversas aplicaciones. La adecuada de materiales y métodos de unión es fundamental para maximizar la eficacia de selección de los termopares y asegurar mediciones confiables en entornos desafiantes.
Metodología
Figura 1. Diagrama de la metodología de la práctica.
Desarrollo de la práctica
Un termopar está compuesto por dos metales diferentes. En su punta (unión caliente) se genera un voltaje en milivolts (mV) proporcional a la diferencia de temperatura respecto a la unión de referencia (ambiente).
- A temperatura baja el voltaje tiende a 0 mV.
53°C 01.
58°C 01.
63°C 01.
68°C 01.
73°C 02.
Gráfica 1. Curva de FEM vs. temperatura durante el calentamiento. II) Respuesta del termopar a la disminución de temperatura
1. Desde ~70 °C, agregar hielo para enfriar el mismo recipiente. 2. Tomar lecturas cada 5 °C en descenso: 70°, 65°, 60°, 55°, 50°, 45°, 40°, 35°, 30° (termómetro de mercurio y termopar). 3. Comparar las lecturas de subida vs bajada y explicar variaciones (tiempo de respuesta, gradientes, estabilidad, etc.). Tabla 2. Respuesta del termopar tipo K durante el enfriamiento. Temperatura (Termómetro de mercurio)
FEM
Termopar 2 (mV) 3°C - 00. 8°C - 00.
13°C - 00.
18°C - 00.
23 °C
TEMPERATURA AMBIENTE
28 °C 00.
33°C 00.
38°C 00.
43°C 00.
48°C 00.
53°C 00.
58°C 01.
63°C 01.
68°C 01.
73°C 01.
Gráfica 2. Curva de FEM vs. temperatura durante el enfriamiento.
Resultados
III) Medición con termopar sin punta fría
1. Con el termopar conectado al multímetro, determinar la temperatura con base en las tablas del termopar correspondiente.
Gráfica 3. Curva de Vtotal vs. temperatura durante el calentamiento.
Aplicamos frio
Donde:
- 𝑽𝒎𝒆𝒅𝒊𝒅𝒂 = lo que dio tu multímetro con el termopar (en mV).
- 𝑽𝑻𝒂 = voltaje equivalente a la temperatura ambiente (23 °C). Según las tablas del termopar tipo K, a 23 °C ≈ 0.919 mV. Ese es el valor que se tiene que sumar siempre.
- 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = − 0. 86 + 0. 919 = 0. 059 𝑚𝑉
- 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = − 0. 76 + 0. 919 = 0. 159 𝑚𝑉
- 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = − 0. 59 + 0. 919 = 0. 329 𝑚𝑉
- 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = − 0. 39 + 0. 919 = 0. 529 𝑚𝑉
- 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0. 08 + 0. 919 = 0. 999 𝑚𝑉
- 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0. 10 + 0. 919 = 1. 019 𝑚𝑉
- 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0. 17 + 0. 919 = 1. 089 𝑚𝑉
- 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0. 38 + 0. 919 = 1. 299 𝑚𝑉
Entonces quedaría así: Tabla 4. Respuesta del termopar tipo K durante el enfriamiento con Vtotal. Temperatura (Termómetro de mercurio)
FEM
Termopar 2 (mV) VTotal calculada (mV) 3°C - 0.86 0. 8°C - 0.76 0. 13°C - 0.59 0. 18°C - 0.39 0. 23 °C TEMPERATURA AMBIENTE
28 °C 0.1 1.
33°C 0.17 1.
38°C 0.38 1.
43°C 0.55 1.
48°C 0.71 1.
53°C 0.9 1.
58°C 1.2 2.
63°C 1.36 2.
68°C 1.61 2.
73°C 1.83 2.
sentido, ya que un termopar tipo K está diseñado para generar un voltaje que es directamente proporcional a la diferencia de temperatura. En pocas palabras, a más calor, más voltaje.
Curva descendente (enfriamiento)
Luego, cuando empezamos a enfriar el agua con hielo, vimos el efecto contrario: el voltaje empezó a bajar. A medida que la temperatura caía por debajo de la temperatura ambiente, el voltaje incluso se volvió negativo. Esto es una señal de que nuestro experimento funcionó como esperábamos, demostrando una simetría perfecta. El termopar reaccionó de manera predecible, tanto al calentamiento como al enfriamiento, confirmando que la relación entre el voltaje y la temperatura es la misma en ambas direcciones.
La clave: la linealidad
La conclusión más importante es que la relación entre el voltaje (FEM) y la temperatura es prácticamente lineal en el rango que medimos (de 3 °C a 73 °C). Las pequeñas variaciones que vimos no son un problema del termopar, sino que probablemente se debieron a errores humanos o del equipo: quizás el termómetro no era 100% exacto, la parrilla no calentaba de forma uniforme, o hubo alguna pequeña fluctuación al conectar los cables al multímetro.
Cuestionario
- ¿Cuáles son los métodos para unir metales disimiles? Los metales disímiles son aquellos de distinta composición ejemplo: acero con cobre. Unirlos es complejo por diferencias en coeficiente de dilatación, conductividad y reactividad. Métodos principales:
- Soldadura por fusión (arco, MIG/TIG): une fundiendo los bordes y con aporte.
- Soldadura por difusión: se aplica presión y temperatura moderada para que los átomos se difundan entre sí.
- Brazing (soldadura fuerte): usa un metal de aporte de bajo punto de fusión que “moja” las superficies sin fundir los metales base.
- Fricción-agitación (FSW): método sólido donde el calor se genera por fricción y se mezclan los materiales.
- Explosión (cladding explosivo): se unen por impacto controlado.
- Uniones mecánicas y adhesivas: en casos donde no conviene fundir (atornillado, remachado, adhesivos estructurales)
- ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de utilizar termopares? Ventajas:
- Miden un rango de temperaturas muy amplio (−200 °C a + °C, dependiendo del tipo).
- Son baratos y fáciles de fabricar.
- Resistentes mecánica y químicamente en ambientes hostiles.
- Respuesta rápida a cambios de temperatura. Desventajas:
- Baja precisión comparado con termómetros de resistencia o digitales (error típico ±1 a 2 °C).
- Requieren compensación de la unión fría para obtener lectura exacta.
- Sensibles a interferencias eléctricas en cables largos.
- El material del termopar se degrada con el tiempo, afectando la exactitud.
- ¿Cuál es la diferencia entre medir con termopar y termómetro de vidrio? a. Termopar: mide temperatura a partir de la diferencia de potencial eléctrico que se genera en la unión de dos metales distintos. Es útil para rangos amplios, respuesta rápida y ambientes hostiles. b. Termómetro de vidrio (mercurio o alcohol): mide temperatura por la expansión volumétrica del líquido dentro de un capilar. Tiene buena precisión en rangos limitados, pero no soporta temperaturas extremas ni choques mecánicos. c. Diferencia clave: el termopar es eléctrico y puede integrarse a sistemas de control automático, mientras que el termómetro de vidrio es analógico y se usa para lecturas manuales.
- ¿Por qué se genera histéresis en las mediciones? La histéresis es la diferencia entre la lectura de un instrumento cuando la variable medida aumenta y cuando disminuye. Se genera por:
Conclusiones
Anguiano Tavera Camila
El experimento con termopares me permitió comprobar que la conversión de energía térmica a una señal eléctrica es un proceso directo y altamente funcional. La velocidad y la amplitud del rango de medición de estos sensores resultan especialmente valiosas. Sin embargo, un hallazgo significativo fue la diferencia en los valores registrados durante el ciclo de calentamiento y el de enfriamiento. Este desfase, conocido como histéresis, subraya una característica importante en la fiabilidad de las mediciones, demostrando que la trayectoria térmica del sistema influye en su lectura final.
Silva Morales Andrea
La práctica de termopares me permitió comprender de manera aplicada cómo este tipo de sensores transforma la diferencia de temperatura en una señal eléctrica y como esa relación puede usarse para medir con rapidez y en un rango muy amplio. Al realizar mediciones tanto en aumento como en descenso de la temperatura, note que no se obtiene el mismo valor, lo que me hizo analizar la presencia de histéresis.
González Aquino Ana Daniela
Un termopar es una herramienta muy eficaz. Pudimos comprobar que, al calentar o enfriar, el voltaje que produce cambia de manera predecible. Esto nos confirma que la relación entre la temperatura y el voltaje es lineal y simétrica. En otras palabras, el termopar es una forma confiable de convertir el calor en una señal eléctrica para medir la temperatura con precisión.
Referencias
- Creus Antonio. Instrumentación industrial. Editorial: Alfaomega, 1998. Págs:
- David M. Himmelblau. Balances de Materia y Energía, cuarta edición
- Holman, J. P. (2010). Experimental methods for engineers (8.ª ed.). McGraw- Hill Education.
- Sellers, G. J. (2018). Thermocouple characteristics and performance in modern applications. Journal of Applied Physics, 124 (15), 154504. https://doi.org/10.1063/1.
- Omega Engineering. (2023). Manual de uso del termopar tipo K [Manual]. https://www.omega.com/en-us/manuals/
