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Metrologia en Temperatura

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Transcript of Metrologia en Temperatura

Metrologia en Medición de Temperatura
INTRODUCCIÓN
Escalas de Temperatura
Termómetros de Carátula
DISPOSITIVOS PARA MEDIR TEMPERATURA
Baños Liquidos
SISTEMAS TERMALES
METROLOGÍA
CIENCIA QUE TIENE POR OBJETO EL ESTUDIO DE LAS UNIDADES Y DE LAS MEDIDAS DE LAS MAGNITUDES
Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias dependen de la temperatura, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), la densidad, la solubilidad, la presión de vapor o la conductividad eléctrica. Así mismo determina la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.
El rango de medición de temperaturas en la práctica se extiende desde -200 °C hasta aproximadamente 3000 °C, aunque la amplitud de éste rango y la exactitud con la que se mide depende también del desarrollo tecnológico y científico de los países.
Como los objetos de medición de temperatura y las condiciones de medición son tan diversas, se han desarrollado muchos métodos e instrumentos de medición con el fin de suplir las diferentes necesidades.
Generalidades y Conceptos Básicos de Temperatura

La temperatura es una magnitud física descriptiva de un sistema que caracteriza la transferencia de energía térmica, o calor, entre ese sistema y otros
La temperatura se expresa mediante las llamadas escalas de temperatura o escalas termométricas (Celsius, Fahrenheit, Reámur, Kelvin)
El kelvin es una
unidad de temperatura creada por Lord Kelvin sobre la base de la escala centígrada, estableciendo el punto cero en el cero absoluto (-273,15°C) y conservando la misma dimensión para los grados. El kelvin es la unidad de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades, correspondiente a una fracción de 1/273,16 partes de la temperatura del punto triple del agua. Se representa con la letra K.
En la unidad del kelvin, coincidiendo el incremento en un grado Celsius con el de un kelvin, su importancia radica en el 0 de la escala: A la temperatura de 0 K se la denomina cero absoluto y corresponde al punto en el que las moléculas y átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica posible. Ningún sistema macroscópico puede tener una temperatura inferior.
El grado Celsius o grado centígrado, representado como °C, es la unidad de temperatura creada por Anders Celsius para su escala centígrada. Es una de las unidades incluidas en el Sistema Internacional de Unidades y la más utilizada internacionalmente.
Se define asignando el valor 0 a la temperatura de congelación del agua, el valor 100 a la de ebullición, ambas medidas a una atmósfera de presión, y dividiendo la escala resultante en 100 partes iguales, cada una de ellas es un grado Celsius.
El grado Fahrenheit es una unidad de temperatura
propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724, cuya escala
fija el cero y el cien en las temperaturas de congelación
y evaporación del cloruro amónico en agua.
Similar a lo que fija la escala celsius con la congelación y
evaporación del agua.
Esta escala es actualmente utilizada en algunos
países anglosajones, especialmente Estados Unidos. Para uso científico tiene una compañera, la escala de Rankine, que lleva el 0 de la escala al cero absoluto, de forma similar a lo que ocurre entre la de Kelvin y Celsius
Rankine (°R)

Escala de temperatura
que se basa sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos.0 grados Rankine (0 ºR) equivalen a -273,15 ºC o 0 K. La diferencia entre dos grados Rankine es la misma que entre dos grados Fahrenheit. Esta escala fue inventada por William John Macquorn Rankine.
Cero absoluto

El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. A esta temperatura el nivel de energía del sistema es el más bajo posible por lo que las partículas, según la mecánica clásica carecen de movimiento
Punto de hielo

La temperatura mas usada para
calibración es el 0°C. se realiza mediante una mezcla de agua y hielo la cual debe estar finamente picado e inundado con agua destilada, si si todo se hace correctamente, se obtendrá una incertidumbre de ± 2 mK a ± 5 mK. El punto de fusión de hielo estuvo incluido en la escala de 1927 ITS-27 y se sustituyó desde 1948 en la IPTS-48 por el punto triple del agua.
Todas las medidas de la temperatura son indirectas. Es decir, la medida es la medida de la extensión volumétrica (termómetro líquido-llenado), del cambio dimensional (termómetro bimetálico), de la fuerza electromotriz (termopar), de la resistencia (detector de la temperatura de la resistencia, o RTD), de la energía irradiada (termómetro de la radiación), o de algún otra característica de un material que varíe de manera fiable y reproducible con temperatura.
Todas las medidas de la temperatura son indirectas. Es decir, la medida es la medida de la extensión volumétrica (termómetro líquido-llenado), del cambio dimensional (termómetro bimetálico), de la fuerza electromotriz (termopar), de la resistencia (detector de la temperatura de la resistencia, o RTD), de la energía irradiada (termómetro de la radiación), o de algún otra característica de un material que varíe de manera fiable y reproducible con temperatura.
Termómetros de Vidrio
Termómetros Eléctricos
Termómetros de carátula de Sistema llenado líquido

Aprovecha la extensión volumétrica para dar una medida de temperatura (termómetro de llenado líquido),
Como los objetos de medición de temperatura y las condiciones de medición son tan diversas, se han desarrollado muchos métodos e instrumentos de medición con el fin de suplir las diferentes necesidades.
Está formado por un tubo de vidrio de diámetro infinitamente pequeño llamado capilar. Este se conecta por su extremo inferior con una burbuja de vidrio soplado rellena de alcohol tintado (normalmente rojo) o mercúrio, haciendo las funciones de pequeño depósito. Todo el conjunto se encuentra sellado para preservar el vacío dentro del capilar. Cuando la temperatura del agua aumenta, el líquido que se encuentra en la ampolla se dilata y asciende por el capilar. La altura alcanzada se lee en una escala de temperatura indicándonos cual es esta.
El termómetro de Alcohol

Un termómetro de alcohol funciona en un intervalo de -100°C a 70°C. En general, los límites de uso de un termómetro de dilatación dependen de las temperaturas de solidificación y de evaporación del líquido indicador.
El termómetro de Mercurio

Un termómetro de mercurio consta básicamente de un depósito de vidrio que se prolonga en una varilla provista de un tubo capilar vacío, (ver figura), por el que asciende el mercurio al
dilatarse, como consecuencia de la absorción de calor. Sobre la varilla se graba una escala
graduada. La lectura X en la escala está relacionada con la temperatura T a la que se encuentra el termómetro
El mercurio es líquido dentro del rango de temperaturas de -38,9 ºC a 356,7 ºC. Como líquido, el mercurio se expande cuando se calienta, esta expansión es lineal y puede ser calibrada con exactitud.
Inmersión parcial: Este tipo de termómetro cuenta con una marca o línea de inmersión hasta la cual debe ser introducido el termómetro para medir con la exactitud especificada. Generalmente la inmersión es de 3 pulgadas o 76 mm.
Inmersión Total: este termómetro debe estar inmerso por completo en el medio a medir (tal es el caso de los termómetros que miden temperatura ambiental).
Termómetros de resistencia

El cambio en la resistencia eléctrica de los metales, es muy utilizado en la medición de temperaturas. Principalmente se utilizan los termómetros de resistencia de platino, usados en la realización de escala de temperatura ITS-90 y denominados SPRT, también en las mediciones de temperatura en la industria y denominados IPRT, en la cual han encontrado una amplia aplicación.
High accuracy
Very linear
Wide temperature range
Excellent long term stability
Several models make good Secondary & Primary standards
Como valores característicos de las resistencias metálicas se utiliza el coeficiente de temperatura alpha .
El termopar es un sensor eléctrico de temperatura muy utilizado en la industria y la ciencia, ya que aunque no se distingue por su alta exactitud respecto a otros sensores de temperatura, el amplio rango que cubre (-270 °C a 3000 °C) y su versatilidad facilitan la medición de temperatura en un gran número de aplicaciones.
EFECTO SEEBECK

En el está basado el funcionamiento de los termopares. Fue descubierto por T. J. Seebeck y su formulación es:

Cuando dos metales A y B son puestos en contacto por sus extremos fluirá una corriente en el circuito, siempre y cuando las junturas de los metales se encuentren a diferentes temperaturas.
Código de colores según norma USA
Indicadores y Calibradores
Termistores

Los termistores aprovechan, al igual que el RTD, la dependencia que presenta la resistencia eléctrica de cualquier material conductor con la temperatura. La sensibilidad a la temperatura se ha exacerbado gracias a la utilización de materiales semiconductores, específicamente diseñados para que su resistencia dependa agudamente de la temperatura del elemento. Existen termistores de coeficiente positivo (su resistencia aumenta con la temperatura) o negativo, siendo este último más típico y de bajo costo.
Pirómetros

Un pirómetro, también llamado pirómetro óptico, es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados celsius. Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.
Exactitudes típicas:

Termómetros bimetálicos y de dial: ±0,5 % de full escala

Indicadores digitales: ± 1% de lectura

Vidrio: ± 1 % de rango o ± 0,5 °C o ± 1,0 °F

Infrarojo: de ± 1 % a ± 3 % de lectura

RTD de platino:
Sensores: de ± 0,2 % a 0,35 % de lectura
Medidores: ± 0,1 % de lectura
Termistores: ± 0,15 °C

Termocuplas:
Tipo J y K: ± (1,0 °C a 4,4 °C) o ± (1,8 °F a 7,9 °F)
Tipo T: ± (0,6 °C a 2,1 °C) o ± (0,9 °F a 3,6 °F)
Tipo R y S: ± 1,4 °C o ± 2,5 °F
Medidores: ± 0,1 % a 1,0 % de lectura
Los sistemas termales se han venido desarrollando utilizando las diferentes formas de transmisor de calor, en el aspecto de su alcance de trabajo, su estabilidad y su uniformidad para la calibración de termómetros en todas sus gamas.

PUNTO DE HIELO
PUNTOS FIJOS DE LA ITS 90
BAÑOS LIQUIDOS
BAÑOS DE SALES
HORNOS DE POZO SECO
HORNOS DE CUERPO NEGRO

Este sistema consta de un tanque de acero inoxidable preferentemente ya que este puede trabajar con aceite halocarbones, mezclas de alcohol (metanol & etylen glycol), agua y aceites siliconados dependiendo del alcance del baño

El sistema de sales es muy parecido al líquido con la principal diferencia que este requiere sales especiales como nitrato de potasio o nitrato de sodio. Este sistema logra rangos de trabajo de 40 ºC hasta 700 ºC.
Aplicación para calibración de:
Termómetros de vidrio
Termómetros de resistencia
Termopares


Baños de sales
Hornos Pozo Seco
Genera altas temperaturas utilizando resistencias calefactoras controladas mediante sensores tipo termopar. La transmisión del calor depende del material de los bloques utilizados; por conducción cuando se utilizan metales con buena conducción de calor como el bronce, el cobre o aluminio, para altas temperaturas por radiación cuando se utiliza cerámica.
Horno de Cuerpo negro
Un cuerpo negro es aquel que absorbe toda la radiación que incide en él y no refleja ninguna; posee una emisividad igual a la unidad y emite la máxima energía radiante.
Se utilizan como mejor referencia para determinar cuantitativamente la energía irradiada por un objeto caliente.

Aplicación para calibración de
Termómetros de radiación tales como:
Pirómetros ópticos
Pirómetros infrarrojos


Calibración. Termómetro digital/analógico

Método
Se realiza por comparación directa.
Se seleccionan los puntos a calibrar incluyendo el punto de trabajo.
Confirmar la estabilización de la fuente de calor, sea menor que la tolerancia.
Se realiza la toma de lectura.

Toma de datos:

Para cada punto de calibración:
- Indicaciones del patrón y del instrumento.

Una sola vez durante la calibración:
- Condiciones ambientales iniciales.
- Resolución del termómetro.
- Anomalías detectadas.
- Condiciones ambientales finales.

Tratamiento de datos
Se calcula:
- La temperatura verdadera y la incertidumbre de está.
- La indicación del instrumento.
- La corrección.
- La incertidumbre expandida, para una probabilidad de aproximadamente del 95%.
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