Post on 24-Dec-2015
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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
Universidad Nacional Experimental Politécnica
“Antonio José de Sucre”.
Vicerrectorado Puerto Ordaz
Asignatura: Mediciones Industriales
Sensores Generadores
Profesor: Elaborado por: Custodio, Ángel. Durrego, Paola.
C.I.:21.380.940 Baldassarre, Andrea.
C.I.: 21.250.174 Rodríguez, José. C.I.:21.110.355 Perez, Ymeleth
C.I: 20.806.224
Ciudad Guayana, Febrero 2015
Preguntas de teoría:
a. Defina y explique cada uno de los siguientes conceptos: Efecto Seebeck, Efecto Peltier.
b. Describa el procedimiento que hay que seguir para medir temperatura con un Multímetro y utilizando un termopar. Recuerde que interesa conocer la temperatura del proceso.
Efecto Seebeck
El efecto Seebeck es la conversión de diferencias
de temperatura directamente a electricidad.
Seebeck descubrió que la aguja de una brújula se desviaba cuando se
formaba un circuito cerrado de dos metales unidos en dos lugares con una
diferencia de temperatura entre las uniones. Esto se debe a que los metales
responden diferentemente a la diferencia de temperatura, creando una
corriente de circuito, que produce un campo magnético. Seebeck, aun así, en
ese momento no reconoció allí una corriente eléctrica implicada, así que llamó
al fenómeno el efecto termomagnético, pensando que los dos metales
quedaban magnéticamente polarizados por el gradiente de temperatura. El
físico Danés Hans Christian Ørsted jugó un papel vital en la explicación y
concepción del término “termoelectricidad”.
El efecto es que un voltaje, la FEM termoeléctrica, se crea en presencia
de una diferencia de temperatura entre dos metales o
semiconductores diferentes. Esto ocasiona una corriente continua en los
conductores si ellos forman un circuito completo. El voltaje creado es del orden
de varios microvoltios por kelvin de diferencia. Una de esas
combinaciones, cobre-constantán, tiene un coeficiente Seebeck de 41
microvoltios por kelvin a temperatura ambiente.
En el circuito: (que puede estar en varias configuraciones diferentes y
regirse por la misma ecuación), el voltaje obtenido puede ser derivado de:
SA y SB son los coeficientes Seebeck (también llamados potencia
termoeléctrica o termopotencia) de los metales A y B en función de la
temperatura, y T1 y T2 son las temperaturas de las dos uniones. Los
coeficientes Seebeck no son lineales en función de la temperatura, y dependen
de la temperatura absoluta, material y estructura molecular de los
conductores. Si los coeficientes Seebeck son efectivamente constantes para el
rango de temperatura medido, la fórmula anterior puede aproximarse como:
El efecto Seebeck se usa comúnmente en dispositivos
llamados termopar (porque está hecho de un acople o unión de materiales,
generalmente metales) para medir una diferencia de temperatura
directamente o para medir una temperatura absoluta colocando un extremo a
una temperatura conocida. Una sonda metálica mantenida a una temperatura
constante en contacto con un segundo metal de composición desconocida
puede clasificarse por este efecto TE. Instrumentos de control de calidad
industriales usan este efecto Seebeck para identificar aleaciones metálicas.
Esto se conoce como clasificación Termoeléctrica de aleación.
Varios termopares cuando se conectan en serie son llamados termopila,
la cual se construye a veces para aumentar el voltaje de salida ya que el
voltaje inducido sobre cada acople es bajo.
Este es también el principio de trabajo detrás de los diodos térmicos y
generadores termoeléctricos (tales como los generadores termoeléctricos de
radioisótopos o GTR) los cuales se usan para crear potencia a partir de la
diferencia de calor.
El efecto Seebeck se debe a dos efectos difusión de portador de
carga y arrastre de fonones (descritos abajo). Si ambas conexiones se
mantienen a la misma temperatura, pero una conexión se abre y cierra
periódicamente, se mide un voltaje AC, el cuál es también dependiente de la
temperatura. Esta aplicación de la sonda Kelvin a veces se usa para demostrar
que la física subyacente solo necesita una unión. Y este efecto se ve aún si los
alambres solo se acercan, pero no se tocan, así no se necesita difusión
Efecto peltier
El efecto Peltier es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1834
por Jean Peltier, trece años después del descubrimiento del mismo fenómeno,
de forma independiente, por Thomas Johann Seebeck. El efecto Peltier hace
referencia a la creación de una diferencia de temperatura debida a un voltaje
eléctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o
semiconductores conectados por dos “junturas de Peltier”. La corriente
propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfría en
tanto que otra se calienta.
Una manera para entender cómo es que este efecto enfría una juntura
es notar que cuando los electrones fluyen de una región de alta densidad a una
de baja densidad, se expanden (de la manera en que lo hace un gas ideal) y se
enfría la región.
Cuando una corriente se hace pasar por el circuito, el calor se genera en
la juntura superior (T2) y es absorbido en la juntura inferior (T1). A y B indican
los materiales.
Este efecto 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 larefrigeración termoeléctrica.
Este efecto lleva el nombre de Jean-Charles Peltier (físico francés) quien
lo descubrió en 1834, el efecto calórico de una corriente en la unión de dos
metales diferentes. Cuando una corriente I se hace fluir a través del circuito, se
produce calor en la unión superior (at T2)), y absorbido por la unión inferior (at
T1)). El calor Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, es
igual a:
donde: es el coeficiente Peltier AB de todo el termopar, y A y B son los
coeficientes de cada material.
El silicio tipo-P normalmente tiene un coeficiente Peltier positivo (pero no
mayor ~550K), y silicio tipo-n es normalmente negativo como sugiere su
nombre.
Los coeficientes Peltier representan cuanta corriente de calor se lleva por
unidad de carga a través de un material dado. Como la corriente de carga debe
ser continua por una unión, el flujo de calor asociado producirá discontinuidad
si A y B son diferentes. Esto provoca una divergencia no cero en la unión y
así el calor debe acumularse o agotarse allí, según el signo de la corriente. Otra
forma de entender como este efecto puede enfriar una unión es notar que
cuando electrones fluyen de una región de alta densidad a una región de baja
densidad, ellos se expanden (como con un gas ideal) y enfrían.
Los conductores están tratando de retornar al equilibrio de electrones que
había antes de aplicarse la corriente absorbiendo energía a un conector y
liberándole al otro. Los pares individuales pueden conectarse en serie para
mejorar el efecto.
Una consecuencia interesante de este efecto es que la dirección de
transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente; invertir la
polaridad cambiará la dirección de transferencia y así el signo del calor
absorbido/producido.
Un enfriador/calentador Peltier o bomba de calor
Un enfriador/calentador Peltier o bomba de calor es una bomba de calor activa
de estado sólido que transfiere calor de un lado del dispositivo al otro. El enfriamiento
Peltier es llamado Enfriamiento termoeléctrico.
Describa el procedimiento que hay que seguir para medir temperatura
con un Multímetro y utilizando un termopar. Recuerde que interesa
conocer la temperatura del proceso
Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado
industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto
material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar
temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño
(efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura.
Por ejemplo:
Una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de
constatan (aleación de cobre y nikel). Al colocar la unión de estos metales a
750 °C, debe aparecer en los extremos 42.2mvolts.
Normalmente las termocuplas industriales se consiguen encapsuladas
dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material (vaina) en un extremo
está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido adentro
de una caja redonda de aluminio (cabezal).
Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen
algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas
son del tipo J o del tipo K.
Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del
plástico, goma (extrusión e inyección) y fundición de metales a bajas
temperaturas (Zamac, Aluminio).
La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a
temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de
tratamientos térmicos.
Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria
siderúrgica (fundición de acero) las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la
industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicación por los
Pt100.
Linealización
La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la
temperatura no es lineal (no es una recta) es deber del instrumento electrónico
destinado a mostrar 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 dos nuevas termocuplas con el cobre como metal para
ambas, generando cada una un voltaje proporcional a la temperatura de
ambiente (Ta) en el punto del empalme
Antiguamente se solucionaba este problema colocando los empalmes
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 o 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.
La termocupla, hecha de metal A y metal B está sometida a una
temperatura T. En los extremos de la termocupla se coloca un voltímetro con
puntas de prueba de cobre a temperatura de ambiente Ta.
Recorriendo el circuito se encuentra el voltaje V que marca el voltímetro:
V = V cu,a(Ta) + Va,b(T) + Vb,cu(Ta)
V = [Vb,cu(Ta) + V cu,a(Ta) ] + Va,b(T)
V = Vb,a(Ta) + Va,b(T)
V = Va,b(T) - Va,b(Ta)
El voltaje que nos interesa saber para conocer el valor de la temperatura
T es Va,b(T) , este se consigue
Va,b(T) = V + Va,b(Ta)
Luego conociendo Ta se busca en la tabla de la termocupla el valor de
Va,b(Ta) y se suma a V medido en el voltímetro con lo que se obtiene Va,b(T).
Ahora con este valor se busca en la tabla el valor de T. Los instrumentos para
TC miden Ta en su conector y suman esta cantidad Va,b(Ta) automáticamente
para hacer la compensación de cero.
Cables compensados
Cuando el instrumento está muy retirado del lugar de medición, no
siempre es posible llegar con el mismo cable de la termocupla al instrumento.
Esto ocurre especialmente cuando se están usando R, S o B hechas con
aleación de platino muy alto precio
La solución de este problema es usar los llamados "cables compensados"
para hacer la extensión del cable. Estos exhiben el mismo coeficiente de
Seebeck de la termocupla (pero hechos de otro material de menor precio) y por
lo tanto no generan termocupla parásitas en el empalme.
Los cables compensados tienen una polaridad de conexión (+) y (-) que
al conectarse con la termocupla se debe respetar. Un error típico, es conectar
al revés el cable en la termocupla y en el instrumento, de esta forma se genera
un error en la lectura del orden de la temperatura de ambiente en el empalme
En el caso particular de las lanzas usadas en la fundición de aceros, la
termocupla se conecta en la punta con un cable compensado forrado en
asbesto, que va por dentro de la lanza hasta el lado del mango. Ahí se
empalma con otro cable compensado con revestimiento de goma más flexible
que llega hasta la entrada del instrumento.
Es importantísimo que estos dos cables compensados sean para el tipo
de termocupla que se está usando y además estén conectados con la polaridad
correcta (+) con (+) y (-) con (-). De otra forma será imposible obtener una
medición sin error.
Siempre se debe consultar al proveedor o fabricante del cable
compensado por los colores que identifican los cables (+) y (-), pues las
normas de estos colores varían con el tipo de termocupla y país de procedencia
del cable.
Para verificar el funcionamiento de un instrumento
Para verificar que un instrumento de termocupla funciona
correctamente, es conveniente hacer un corto o puente en la entrada de modo
que V = 0, entonces el instrumento deberá marcar la temperatura de ambiente
Ta que hay en el conector trasero donde se hizo el puente.
Como medir temperatura con un voltímetro
1. Medir con el voltímetro el voltaje que
entrega la termocupla por ej V.
2. Medir la temperatura de ambiente Ta
(temperatura del contacto de las puntas del
voltímetro con los cables de la termocupla).
Ver en una tabla de termocuplas que
voltaje corresponde a la temperatura. Sea
por ej Vab(Ta).
3. Hacer la suma de los 2 volates obtenidos
Vab(T) = V + Vab(Ta) y ver en la tabla a
que temperatura corresponde. Esta será la
temperatura real a la que está sometida la termocupla.
Por ejemplo:
Se mide en una termocupla J un voltaje de 10.84 mV.
Si la temperatura de ambiente en los contactos es 25 °C, entonces en la tabla
esto corresponde a 1.277 mV.
Luego Vab(T) = 10.84 + 1.277 = 12.117mV, esto según la tabla
corresponde a 224°C
Procedimiento aproximado pero simple
1. Medir con el voltímetro el voltaje que entrega la termocupla.
2. Ahora ver en una tabla de termocuplas a que temperatura
corresponde el voltaje.
3. Sumarle a esta temperatura encontrada en la tabla, la
temperatura de ambiente (temperatura del contacto de las puntas
del voltímetro con los cables de la termocupla) para hacer la
compensación de cero.
Por ejemplo:
Se mide en una termocupla J un voltaje de 10.84 mV.
En la tabla de termocupla J se encuentra que para 10.84 mV, lo más
aproximado es 10.832 mV que corresponden a 201 °C. Si la
temperatura de ambiente en los contactos es 25 °C aprox., entonces la
temperatura medida es 226°C (25°C + 201°C)
La diferencia obtenida con los mismos valores para ambos
procedimientos es mucho mayor en el caso de termocuplas B, S y R.
Problema
En el laboratorio de procesos de ALCASA se tiene un pequeño horno
utilizado para secar las placas de circuito impreso que allí se construyen. Sin
embargo el horno tiene un control manual y se desea digitalizar el sistema de
medida. Para ello se decide utilizar un termopar, pero en el laboratorio solo se
consiguen los hilos con los que estos se construyen: hierro, constatan, cromel y
alumel. Así que debe fabricarse el Termopar, el cual debe ser tipo J ya que es la
única tabla de la que se dispone en el laboratorio. Se dispone en el laboratorio
de un convertidor A/D que permite convertir señales de 0 – 5 Volt directamente
a LCD de 3 ½ segmentos. El horno mide temperaturas de 0 °C hasta 609 °C,
aunque el proceso de interés varía solo de 300 °C hasta 309 °C. La
temperatura ambiente suele oscilar entre 20 °C y 29 °C.
Se requiere:
a. Diseñar el circuito de acondicionamiento que permita convertir la señal
del termopar tipo J en una señal de 0 a 5 Volts que permita su
visualización en el display.
b. Compensar el efecto de la temperatura ambiente de tal forma que en
centro del margen de medida se obtenga un error debido a la
temperatura ambiente de 0°C. En el laboratorio solo se dispone de una
termorresistencia tipo PT1000.
Tipo J
°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 0.400 0.420 0.440 0.460 0.500 0.520 0.540 0.560 0.580 0.600
20 1.019 1.070 1.122 1.174 1.225 1.277 1.329 1.381 1.432 1.484
30
0
16.32
5
16.38
0
16.43
6
16.49
1
16.54
7
16.60
2
16.65
7
16.71
3
16.76
8
16.82
3
60
0
30.00
0
30.50
0
31.00
0
31.20
0
31.45
0
31.55
0
31.60
0
32.00
0
32.10
0
32.20
0
Solución
De la teoría se sabe que para un termopar es necesario utilizar un
circuito que compense la temperatura de la unión fría o a temperatura
ambiente. Por tanto se debe construir un circuito que cumpla el siguiente
criterio:
El circuito de la figura es un circuito de acondicionamiento de un
termopar con compensación de temperatura ambiente por medio de una
Pt1000.
El termopar es de tipo J con sensibilidad
Sk = (16.881−16.327 )mV
(310−300)=55.4
μV
La Pt100 presenta una resistencia de 1000Ω y un coeficiente= 3.85·10−3
C−1 a 0 C. El amplificador es un amplificador de instrumentación ideal; TA es
la temperatura ambiente y TM la temperatura por medir.
El termopar es un generador de tensión; visto que él no pasa corriente
(esta puesto en serie a una entrada con impedancia infinita) podemos
considerarlo un generador ideal de tensión.
V T=S K(TM−T A)
La resistencia es una Pt100 (RTD), cuyo valor crece al crecer de la
temperatura TA. Si usamos como medida de temperatura grados centígrados,
tenemos entonces:
RPt 1000=RO(1+α T A)
Podemos redibujar el circuito para visualizar mejor el puente y la
estructura del sistema, indicando con Vin la tensión diferencial de entrada del
amplificador:
RPT1000
RPT1000
1000Ω
V ¿=V ref ( RO (1+α T A )R2+RO (1+α T A )
−R0
R1+R0 )+SK (TM−T A)
Si la tensión de salida tiene que ser cero para TM igual a cero Celsius,
sea cual sea el valor de TA, tendrá que ser cero para TM = TA = 0 C también.
Entonces:
V ¿=V ref ( ROR2+RO
−R0
R1+R0)=0→R1=R2
Analizamos ahora el puente poniendo R1 = R2 =kRo como se hace en la
parte teórica de análisis del puente. Fijémonos solo en la parte del puente,
dejando de un lado el termopar. Llamamos vp la contribución a la tensión de
entrada debida al puente.
V p=V ref ( RO (1+α T A )kRO+RO (1+α T A )
−R0
KRO+R0 )Simplificando y dividiendo numerador y denominador por RO:
V p=V ref ( ( 1+α T A )K+ (1+α T A )
− 1K+1 )
Y operando:
RPT1000
1000Ω1000Ω
V p=V ref ( (Kα T A )(K+1)(K+1+α T A ) )
Aplicando la aproximación lineal a la salida del puente, despreciamos el
término αTA al denominador respeto a k + 1, y:
V p≈V ref ( (KαT A )(K+1)2 )
Añadiendo otra vez la contribución del termopar, la tensión de entrada
del amplificador operacional resultara:
V p≈V ref ( (KαT A )(K+1 )2 )+SK (T M−T A )=SKTM+(
V ref αK
(K+1 )2−S K)T A
Para que la salida no dependa de TA, habrá que elegir k (la sensibilidad
del puente) de forma que el segundo término de la ecuación sea cero:
(V ref αK(K+1 )2−SK)T A=0→K 2+(2−V REFα
SK )K+1=0
Solucionando la ecuación de segundo grado en k se obtienen dos valores,
k 1=0.0014431→R=1.4431Ω
k 2=692.94→R=692.94 k Ω
Las dos soluciones son efectivamente posibles desde el punto de vista
maten ático: efectivamente, la sensibilidad de un puente en función de k es
una función cuya forma está representada en la gráfica siguiente, y si se busca
un valor específico de sensibilidad, tenemos dos soluciones posibles.
Ahora, la solución buena desde el punto de vista práctico es
evidentemente la más alta. Esto para varias razones:
K grande significa que la aproximación lineal es más exacta.
R grande significa menos potencias a la Pt1000, meno gasto energético
y menos auto calentamiento.
La variabilidad de la sensibilidad con el valor exacto de R es mucho
menor para la solución k2.
Entonces, nos quedamos con la solución mayor, con R =692.94 kΩ. La
tensión de salida es simplemente:
v0=AS KT M
Y el último parámetro A, es calculado de forma de trivial:
A SK=10mV
→A≈180
Para300→2.9916V
Para309→3.0813V
Ajuste de cero
Dónde:
V1=vo
V2=2.9916V
R1=R2 y R3=R4
Vout=Vy
Vy=(2.9916V−V O )Vy=0v−89.7mv
Ajuste de ganancia:
in=Vy
G=(5−0 )V
(89.7−0 )mV=55.7413
R2=50kΩ
R1=897Ω
Out=
5v→309
0 v→300
LCD de 3 ½ segmentos del A/D