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Presentación sobre investigación de magnitudes de temperatura, flujo y presión en metrología. materia de ingeniería...

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Magnitudes de temperatura, flujo y presión

TEMPERATURA ➢La temperatura es una magnitud que comúnmente empleamos para referirnos a caliente, tibio o frío, y que puede ser medida con un termómetro. ➢En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por la ley cero de la termodinámica. “La temperatura es una magnitud escalar que mide la cantidad de energía térmica que posee un cuerpo”. “La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía”.

➢La ley cero de la termodinámica postula que cuando dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico con un tercer sistema, también estarán en equilibrio térmico entre sí.

➢La temperatura nos permite conocer el nivel de energía térmica con que cuenta un cuerpo. ➢Las partículas que poseen los cuerpos se mueven a una determinada velocidad, por lo que cada una cuenta con una determinada energía cinética. El valor medio de dicha energía cinética está directamente relacionado con la temperatura del cuerpo. ➢Por lo tanto, a mayor energía cinética media de las partículas, mayor temperatura y a menor energía cinética media, menor temperatura.

➢La temperatura es una propiedad de gran importancia en la termodinámica, y es posible determinar su valor de manera sencilla a través de mediciones indirectas con instrumentos adecuadamente calibrados. “La temperatura de un sistema se determina poniendo un segundo cuerpo (termómetro) en contacto con el mismo y permitiendo que se alcance el equilibrio térmico. ➢El valor de la temperatura se calcula midiendo alguna propiedad del termómetro que depende de la temperatura.

¿Cómo medimos la temperatura? ➢La temperatura es una magnitud estadística, por lo que no podemos medirla directamente. Para medirla hacemos uso de diversas magnitudes que varían con ella. Por ejemplo: la altura de una columna de mercurio, la resistencia eléctrica o el volumen y la presión de un gas. ➢A estas magnitudes, se las denomina magnitudes termométricas.

Entre las propiedades de los materiales que comúnmente se usan en aparatos de medición de temperatura están. 1. El volumen de gases, líquidos y sólidos. 2. La presión de los gases a volumen constante. 3. La resistencia eléctrica de los sólidos. 4. La fuerza electromotriz entre dos sólidos diferentes. 5. La intensidad de radiación (a temperaturas elevadas). 6. Efectos magnéticos (a temperaturas extremadamente bajas).

Tipos de termómetros ➢Para medir la temperatura usamos los termómetros. Un termómetro es un dispositivo que nos permite conectar alguna magnitud termométrica con la temperatura. ➢Existen distintos tipos de termómetros según la magnitud física que se mide y que varía al variar la temperatura.

Bas asaados en dililaataci ció ón Gases Cambio de volumen: Termómetro de gas a presión constante. El volumen del gas varía con la temperatura. Son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros.

Cambio de presión: Termómetro de gas a volumen constante. La presión del gas varía con la temperatura. Son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros

Líquidos Columna de mercurio: Termómetro de mercurio. La altura de la columna de mercurio varía con la temperatura. Columna de alcohol coloreado: Termómetro de alcohol. La altura de la columna de alcohol teñido varía con la temperatura. Fue el primero que se creó.

Sólidos Cambio de longitud: Termómetro bimetálico. Consiste en dos placas de diferentes metales unidas rígidamente. El conjunto se dobla en arco de manera proporcional al cambio de temperatura. Esto se debe a que cada placa tiene un coeficiente de dilatación distinto y los cambios de temperatura provocan cambios distintos en sus longitudes.

Bas asad ad ados os en pr pro opie ied dad ade es elé eléct ct ctri ri riccas Resistencia Semiconductor: Termistor. Los semiconductores son materiales que se comportan como conductores o aislantes según la temperatura a la que se encuentren. Esto los convierte en dispositivos que permiten medir la temperatura. Platino: Termómetro de platino. La resistencia eléctrica del platino varía con la temperatura de forma lineal Efecto termoeléctrico Termopar: Se trata de un par empalmes (soldaduras) de dos alambres conductores de metales distintos. Uno de los empalmes se mantiene a una temperatura constante de referencia. La fuerza electromotriz generada depende de la diferencia de temperaturas entre las soldaduras

Bas asaados en radi diaació ión n térm rmic ic icaa Radiación infrarroja Termómetro infrarrojo: Los cuerpos calientes emiten calor en forma de radiaciones electromagnéticas, captada por este tipo de termómetros Luz visible Pirómetro óptico: Son normalmente utilizados para medir temperaturas superiores a 700 °C. Se basan en el cambio del color con el que brillan los objetos calientes. Desde el rojo oscuro al amarillo, llegando casi al blanco a unos 1300 °C

Escalas de temperatura ➢La temperatura se mide indirectamente a través de las magnitudes termométricas. ➢Se usan los valores de estas magnitudes en ciertos estados fijos para calibrar los termómetros, estableciéndose una escala. ➢Ejemplos de estos estados fijos son la congelación o la ebullición del agua. ➢Existen tres grandes escalas para medir la temperatura: Celsius Farenheit Kelvin

Escala centígrada o Celsius a) Se asigna el valor 0 del termómetro al punto normal de congelación del agua b) Se asigna el valor 100 del termómetro al punto normal de ebullición del agua c) Dicho intervalo se divide en 100 partes iguales. Cada una de ellas se denomina grado Celsius ( °C )

Escala Fahrenheit a) Se asigna el valor 32 del termómetro al punto normal de congelación del agua. b) Se asigna el valor 212 del termómetro al punto normal de ebullición del agua c) Dicho intervalo se divide en 180 partes iguales. Cada una de ellas se denomina grado Fahrenheit ( °F )

Escala Kelvin, absoluta o Kelvin Es la escala usada en el Sistema Internacional de Unidades. Para definir la escala absoluta primero se debe entender qué es el cero absoluto de temperatura y el punto triple del agua. Cero absoluto de temperatura Es el estado de mínima temperatura que puede tener un cuerpo. En él, el movimiento de los átomos y moléculas que componen el cuerpo sería nulo. Es una temperatura teórica que no puede alcanzarse en la práctica. Punto triple del agua El punto triple del agua es aquella pareja temperatura-presión en la que coexiste el agua en estado sólido, liquido y gaseoso. Concretamente la temperatura sería 0.01 °C y la presión 611.73 Pa.

Proceso a) Se asigna el valor 0 del termómetro a la temperatura más baja que puede existir, el cero absoluto. b) Se asigna el valor 273.16 al punto triple del agua. c) Se hace coincidir el tamaño de los grados Kelvin con los Grados Celsius.

MEDICIONES DE PRESIÓN

MED EDIC IC ICIÓ IÓ IÓN N DE PRE PRESSIÓ IÓN N Presión Se define como fuerza dividida por el área sobre la cual se aplica. De ésta manera, la presión producida por una fuerza (F) distribuida sobre un área (A) se definirá como: P=F/A

En procesos industriales existen variadas aplicaciones de medición de presión, entre las que se encuentran: 1. Calidad del producto, las cuales dependen de ciertas presiones que se deben mantener en un proceso. 2. Por seguridad. 3. En aplicaciones de medición de nivel 4. En aplicaciones de medición de flujo.

Existen varios términos que se utilizan para expresar la medición de nivel: ➢Presión absoluta Es la suma de la presión manométrica mas la presión atmosférica. ➢Presión manométrica Se define como la presión relativa a la presión atmosférica. ➢Presión hidrostática Es la presión ejercida por una columna de líquido. Se calcula multiplicando la altura de la columna de líquido por la densidad o por la gravedad específica del líquido.

Presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mm (29.9 pulgadas) de mercurio absolutos o 14.7 psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) o bien 1.01325 bar o 1.03322 Kg/cm2 y estos valores definen la presión ejercida por la atmósfera estándar.

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Presión relativa: es la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se realiza la medición. “Al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída, si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas”. Presión diferencial: es la diferencia entre dos presiones. Vacío: es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica. ➢Viene expresado en mm columna de mercurio, mm columna de agua o pulgadas de columna de agua. Las variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las lecturas del vacío. 24

SISTEMA

UNIDAD

Sistema internacional de unidades

Pa

Pascal

Sistema técnico gravitatorio

kgf/cm2

Kilogramo fuerza sobre centímetro cuadrado.

Sistema técnico de unidades

m.c.a.

Metro de columna de agua

Sistema inglés

PSI

Libras fuerza por pulgada cuadrada

Otros sistemas de unidades

atm

Atmósferas

mmHg

Milímetros de mercurio

bar

Bar

UN UNID ID IDA ADE DESS DE ME MED DIC ICIÓ IÓ IÓN N En el sistema internacional de unidades presión es el pascal (Pa).

la unidad de medida de

ALGUNAS UNIDADES DE PRESIÓN Unidad Símbolo Equivalencia Atmósfera atm 1 atm= 1 kgf/cm2 Pascal Pa 1 Pa= 1 N/m2 Bar bar 1 bar=105 Pa= 105 N/m2= 0.987 atm= 750 mmHg Milímetro de mercurio mmHg 1 mmHg= 0.0013 bar

IN INSSTR TRUM UM UME ENTOS PARA LA MEDI DICI CI CIÓ ÓN DE LA PRE RESSIÓ IÓN N 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Manómetro de presión absoluta Manómetro de tubo en U Manómetro de pozo Manómetro de tubo inclinado Manómetro tipo campana Tubos Bourdon

TIP TIPO OS DE MED EDID ID IDO ORES DE PR PRE ESI SIÓ ÓN ➢Mecánicos ➢Electromecánicos ➢Neumáticos ➢Electrónicos

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EL ELE EMENTOS MECÁ CÁN NIC ICO OS 1. Elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas. Barómetro cubeta Manómetro de tubo en U Manómetro de tubo inclinado Manómetro de campana

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Ele Elem men enttos mec ecán án ániicos 2. Elementos primarios elásticos que se deforman con la presión interna del fluido que contienen. Los elementos primarios elásticos más empleados son: ➢Tubo de Bourdon ➢El elemento en espiral ➢El helicoidal ➢Diafragma ➢Fuelle

Los materiales empleados normalmente son: acero inoxidable, aleación de cobre o níquel o aleaciones especiales como hastelloy y monel. 32

Tub ubo o de B Bou ou ourrdo don n El tubo de Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón.

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Ele Elem men entto en esp espir ir iraal El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y, por ello, son ideales para los registradores.

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Dia iafr fr fraagm gmaa El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas.

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Fu Fuel el elle le El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. ➢ Éstos elementos poseen la característica de tener larga duración. ➢ Para su construcción se usa usualmente bronce fosforoso, además es tratado térmicamente. 36

➢Los manómetros de fuelle tienen un elemento elástico en forma de fuelle (como el acordeón) al que se le aplica la presión a medir, ésta presión estira el fuelle y el movimiento de su extremo libre se transforma en el movimiento de la aguja indicadora. Aplicaciones ➢Empleados para servicios normales con aire, agua y otros fluidos no corrosivos, para temperaturas no mayores a 130°C.

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ELEMENTOS ELECTROMECÁNICOS Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico combinado con un transductor eléctrico, que genera la correspondiente señal eléctrica. El elemento mecánico consiste en: 1. 2. 3. 4. 5.

Tubo Bourdon Espiral Hélice Diafragma Fuelle o una combinación de los mismos que a través de un sistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en un desplazamiento mecánico. 38

Los elementos electromecánicos se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos: 1. Resistivos 2. Magnéticos 3. Capacitivos 4. Extensométricos 5. Piezoeléctricos

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1. Ele Elem men enttos res esis is isttiv ivo os Los elementos resistivos están constituidos de un elemento elástico (tipo Bourdon o cápsula) que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. ➢El potenciómetro puede adoptar la forma de un sólo hilo continuo, o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. 40

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2. Transd sdu uctores Mag agn nét étic ic ico os Existen dos tipos de transductores magnéticos: 1. Transductores de inductancia variable 2. Transductores de reluctancia variable

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Transd sdu uctores de ind indu uctan anccia var ariiab ablle ➢Los elementos de inductancia variable utilizan el transformador diferencial variable lineal (LVDT = Linear Variable Diferencial Transformer) que proporciona una señal en c.a. proporcional al movimiento de una armadura de material magnético situada dentro de un imán permanente o una bobina que crea un campo magnético. ➢Al cambiar la posición de la armadura, por un cambio en la presión del proceso, varía el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil.

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Trans nsd duc ucttor de rel eluc uc ucttan anci ci ciaa vari ariaabl ble e ➢Los elementos de reluctancia variable se basan en el desplazamiento mecánico, debido a la presión, de un núcleo magnético situado en el interior de una o dos bobinas. ➢Estas bobinas están conectadas a un puente de c.a. y la tensión de salida es proporcional a la presión del fluido. ➢El sensor está conectado a un puente alimentado por una tensión alterna de frecuencias entre 1 kHz a 10 kHz. ➢La variación de la reluctancia magnética produce una modulación de inductancia efectiva que es función de la presión del fluido. 44

Transd nsduct uct uctor or ores es d de e ind induct uct uctaanc ncia ia y rreluc eluc elucttanc ncia ia varia ariab ble

Inductancia Variable Núcleo Magnético en un Campo electromagnético

Reluctancia Variable Núcleo Magnético en un Campo Magnético 45

Transd sdu uctores Ca Cap pac acit it itiivos ➢Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. ➢Pueden ser de dos tipos: Capacidad fija Capacidad variable

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Gal alggas Ext Exten en enssométr triicas Se basan en la variación de longitud y de diámetro, por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión. Usualmente es usado el puente de Wheastone.

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Gal alggas Ext Exten en enssométr triicas

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Transd sdu uctores Pie Piezzoe oelé lé léct ct ctrric ico os Son materiales cristalinos que al deformarse físicamente por la acción de una presión generan una señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150 °C en servicio continuo y de 230 °C en servicio intermitente.

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Tipos de Medidores de Presión Medidores Neumáticos

Transd sdu uctores Mec ecán án ánic ic icos os de Fue Fuelllllle e y Dia Diafr fr fraagma ➢ Trabajan en forma diferencial entre la presión atmosférica y la del proceso. ➢Pueden estar compensados con relación a la presión atmosférica y calibrados en unidades absolutas.

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Med edid id idor or Mc McLe Le Leo od ➢ Se utiliza como aparato de precisión en la calibración de los restantes instrumentos. ➢Se basa en comprimir una muestra del gas de gran volumen conocido a un volumen mas pequeño y a mayor presión mediante una columna de mercurio en un tubo capilar.

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Transd sdu uctores Tér érm mic icos os Se basan en el principio de la proporcionalidad entre la energía disipada desde la superficie caliente de un filamento calentado por una corriente constante y la presión del gas ambiente cuando el gas esa a bajas presiones absolutas.

Transductor térmico de termopar Transductor Pirani Transductor bi-metálico.

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Transd sdu uctores Tér érm mic icos os Transdu duct ct ctor or té térm rm rmic ic ico o de ter erm mopar Contiene un filamento en V que lleva incorporado un pequeño termopar. Al pasar una corriente constante a través del filamento, su temperatura es inversamente proporcional a la presión absoluta del gas.

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Transd sdu uctores Tér érm mic icos os Transdu duct ct ctor or Pir Piraani Utiliza un circuito de puente de Wheastone que compara las resistencias de dos filamentos de tungsteno, uno sellado en alto vacío en un tubo y el otro en contacto con el gas medido y por lo tanto pierde calor de conducción.

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Transd sdu uctor Bi Bim metáliliccos ➢Utiliza una espiral bimetálica calentada por una fuente de tensión estabilizada. ➢Cualquier cambio en la presión produce una deflexión de la espiral, que a su vez esta acoplada a un índice que señala la escala el vacío.

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Transd sdu uctor de Ion Ioniz iz izaaci ció ón ➢Se basan en la formación de los iones que se producen en las colisiones que existan entre moléculas y electrones. ➢La velocidad de formación de estos iones, es decir la corriente iónica, varia directamente con la presión.

Transductor de filamento caliente Transductor de cátodo frío

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Transd sdu uctor de fila filam men entto cal alie ie ien nte ➢Consiste en un tubo electrónico con un filamento de tungsteno por una rejilla en forma de bobina, la cual a su vez esta envuelta por una placa colectora. ➢La emisión de iones es proporcional a la presión del gas dentro del tubo.

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Transd sdu uctor de cátodo frío ➢Se basa en el principio de la medida de una corriente iónica producida por una descarga de alta tensión. ➢Los electrones desprendidos del cátodo toman un movimiento en espiral al irse moviendo a través de un campo magnético en su camino hacia el ánodo

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MEDICIONES DE FLUJO

MED EDIC IC ICIO IO ION NES DE FL FLU UJO Siempre que se trabaja con un fluido , existe la necesidad de realizar un conteo de la cantidad que se transporta, para lo cual se utilizan medidores de flujo.

Algunos de ellos miden la velocidad de fluj...