Trabajo de investigación medición de temperatura
Velocidad del sonido en cavidad acústica
La velocidad del sonido es la dinámica de propagación de las ondas sonoras.
En la atmósfera terrestre es de 343 m/s (a 20 °C de temperatura, con 50 % de
humedad y a nivel del mar). La velocidad del sonido varía en función del medio
en el que se trasmite. Dado que la velocidad del sonido varía según el medio,
se utiliza el número Mach 1 para indicarla. Así un cuerpo que se mueve en el
aire a Mach 2 avanza a dos veces la velocidad del sonido en esas condiciones,
independientemente de la presión del aire o su temperatura.
La velocidad del sonido varía también ante los cambios de temperatura del
medio. Esto se debe a que un aumento de la temperatura se traduce en un
aumento de la frecuencia con que se producen las interacciones entre las
partículas que transportan la vibración, y este aumento de actividad hace
aumentar la velocidad.
Se describe un experimento de medida de la velocidad del sonido mediante un
resonador de Helmholtz. Su frecuencia de resonancia depende de las
dimensiones de la cavidad y de la velocidad de propagación del sonido.
Un resonador ideal consiste en una cavidad de
volumen V con un cuello de área S y de
longitud L. Si la longitud de onda l es mucho
más grande que sus dimensiones L, S1/2 y V1/3,
el aire del cuello se mueve como un bloque de
masa m.
El aire contenido en el gran volumen V0 actúa
como un muelle de constante elástica k que
está unido a un bloque de masa m que es el
aire del cuello de la botella.
k es la constante elástica y m la masa del volumen de aire del cuello de la
botella. En este caso se evaluara la validez del modelo por su grado de
acuerdo con los resultados experimentales que obtengamos. Recordemos que
el módulo de compresibilidad κ de un gas se define como:
Presión de Vapor
La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o liquido se
hallan en equilibrio dinamico con su fase vapor.
Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen
así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también
llamada, fuerza elástica o tensión. Para determinar un valor sobre esta
presión se divide la fuerza total por la superficie en contacto.
La regla de fases establece que la presión del vapor de un líquido puro es
función única de la temperatura de saturación. Vemos pues que la presión de
vapor en la mayoría de los casos se puede expresar como
Pvp = f (t)
Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las fuerzas
de atracción intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las
mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma
de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado.La
presión de vapor es medida en unidades estándar de presión. El Sistema
Internacional de Unidades (SI) reconoce a la presión como una unidad derivada
de la fuerza ejercida a través de un área determinada, a esta unidad se le
conoce por el nombre de Pascal (Pa). Un pascal es equivalente a
un newton por metro cuadrado (N·m-2 ó kg·m-1·s-2).
La medición experimental de la presión de vapor es un procedimiento simple
para presiones similares que estén entre 1 y 200 kPa. Resultados más exactos
son obtenidos cerca del punto de ebullición de cada sustancia en particular y
con índice de error más significativo en mediciones menores a 1 kPa. Con
frecuencia, algunos procedimientos consisten en purificar las sustancias que
son analizadas, aislando la sustancia deseada en un contenedor, evitando
cualquier gas indeseado y midiendo la presión de equilibrio de la fase gaseosa
de la sustancia en el sistema cerrado a distintas temperaturas. El uso de
herramientas como un isoteniscopio genera una mayor exactitud en el proceso.
Termómetro de resistencia de germanio
Termometro de resistencia de carbón
Termómetro de resistencia de alta sensibilidad para medir temperaturas en la
zona de 0,05-20 °K; capaz de medir cambios de temperatura del orden de 10-5
°K.
Termometro de gas
El termómetro de gas de volumen constante es muy preciso, y tiene un margen
de aplicación extraordinario: desde -27 °C hasta 1477 °C. Pero es más
complicado, por lo que se utiliza más bien como un instrumento normativo para
la graduación de otros termómetros.
El termómetro de gas a volumen constante se compone de una ampolla con
gas -helio, hidrógeno o nitrógeno, según la gama de temperaturas deseada- y
un manómetro medidor de la presión. Se pone la ampolla del gas en el
ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta entonces la columna de
mercurio (manómetro) que está en conexión con la ampolla, para darle un
volumen fijo al gas de la ampolla. La altura de la columna de mercurio indica la
presión del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.
Unión de silicón P-N
Se denomina unión P-N a la estructura fundamental de los componentes
electrónicos comúnmente denominados semiconductores.
Principalmente diodos y transistores. Está formada por la unión metalúrgica de
dos cristales, generalmente de silicio (Si), aunque también se fabrican
de germanio (Ge), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico.
Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro
intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal o
compuesto químico.
En una unión entre un semiconductor p y uno n, a temperatura ambiente,
los huecos de la zona p pasan por difusión hacia la zona n y los electrones de
la zona n pasan a la zona p.
En la zona de la unión, huecos y electrones se recombinan, quedando una
estrecha zona de transición con una distribución de carga debida a la presencia
de los iones de las impurezas y a la ausencia de huecos y electrones.
Se crea, entonces un campo eléctrico que produce corrientes de
desplazamiento, que equilibran a las de difusión. A la diferencia de potencial
correspondiente a este campo
eléctrico se le llama potencial de
contacto V0.
Termistores
Es un dispositivo semiconductor cuya resistencia es sensible a los cambios de
temperatura
Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa
en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la
temperatura. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor.
Existen dos tipos de termistor:
NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura
negativo
PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura
positivo (también llamado posistor).
Cuando la temperatura aumenta, los tipo PTC aumentan su resistencia y los
NTC la disminuyen.
Son fabricados a partir de los óxidos de metales de transición (manganeso,
cobalto, cobre y níquel) los termistores NTC son semiconductores
dependientes de la temperatura. Operan en un rango de -200º C a + 1000° C.
Un termistor NTC debe elegirse cuando es necesario un cambio continuo de la
resistencia en una amplia gama de temperaturas. Ofrecen estabilidad
mecánica, térmica y eléctrica, junto con un alto grado de sensibilidad.
La excelente combinación de precio y el rendimiento ha dado lugar a una
amplia utilización de los termistores NTCs en aplicaciones tales como
medición y control de temperatura, compensación de temperatura y medición
del flujo de fluidos.
Oscilador de Cristal de Cuarzo
El cristal de cuarzo es utilizado como componente de control de la frecuencia
de circuitos osciladores convirtiendo las vibraciones mecánicas en voltajes
eléctricos a una frecuencia específica.
Esto ocurre debido al efecto "piezoeléctrico". La piezo-electricidad es
electricidad creada por una presión mecánica. En un material piezoeléctrico, al
aplicar una presión mecánica sobre un eje, dará como consecuencia la
creación de una carga eléctrica a lo largo de un eje ubicado en un ángulo recto
respecto al de la aplicación de la presión mecánica.
En algunos materiales, se encuentra que aplicando un campo eléctrico según
un eje, produce una deformación mecánica según otro eje ubicado a un ángulo
recto respecto al primero.
Por las propiedades mecánicas, eléctricas, y químicas, el cuarzo es el material
más apropiado para fabricar dispositivos con frecuencia bien controlada.
La siguiente figura muestra la ubicación de elementos específicos dentro de
una piedra de cuarzo.
De los cortes que se pueden hacer, el corte "AT" es el más popular y es
fabricado hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente
estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura.
Termómetro de resistencia de Platino
Termocupla
Es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce
una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es
función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado
punto caliente o unión caliente o de medida y el otro llamado punto frío o unión
fría o de referencia (efecto Seebeck).
Normalmente los termopares industriales están compuestos por un tubo
de acero inoxidable u otro material. En un extremo del tubo está la unión, y en
el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda
de aluminio (cabezal).
En instrumentación industrial, los termopares son usados como sensores de
temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y
son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación
está en la exactitud, pues es fácil obtener errores del sistema cuando se trabaja
con precisiones inferiores a un grado Celsius.
El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila.
Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones
de calefacción a gas
Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de
las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas són del tipo J
ó del tipo K. Las termocuplas tipo J se usan principálmente 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 exclusívamente en la industria
siderúrgica (fundición de acero) Finálmente las tipo T eran usadas hace algún
tiempo en la industria de alimentos, pero hán sido desplazadas en esta
aplicación por los Pt100.
Tabla. Tipos de Termocuplas
Velocidad del sonido en varilla metalica
Un diapasón es una varilla metálica en
forma de U. El sonido emitido por el
diapasón contiene una sola frecuencia que
viene grabada en este dispositivo.
Conocida la frecuencia del diapasón se
puede determinar la velocidad de
propagación del sonido en el aire, mediante
el dispositivo esquematizado en la figura.
Disponemos de un recipiente de agua cuyo
nivel podemos graduar. Situamos el
diapasón muy cerca del recipiente y lo
hacemos vibrar.
Hacemos descender el nivel del agua hasta
que se perciba resonancia, es decir, una
intensidad del sonido máxima.
Medimos la longitud L de la parte vacía y
con estos datos se puede calcular la
velocidad de propagación del sonido en el
aire.
La velocidad el sonido en la varilla metálica vm es
vm =f·lm
Donde f es la frecuencia y lm es la longitud de onda en la varilla. Como vemos
en la figura lm=160 cm
La velocidad del sonido en el aire va es
va =f·la
Donde f es la frecuencia que no ha cambiado al pasar del metal al aire, y la es
la longitud de onda en el aire.
Eliminando la frecuencia en estas dos ecuaciones, obtenemos la velocidad del
sonido en la varilla en términos de la velocidad el sonido en el aire va.
Se mide la distancia ente nodos d=la/2, para varias posiciones del disco
desplazable. Con este dato y la velocidad del sonido en el aire se determina la
velocidad del sonido en la varilla metálica vm.
Medicion de varilla Metalica
Termómetro líquido en vidrio
Su operación está basada en la expansión del líquido con el incremento de la
temperatura; esto es, el líquido actúa como un transductor, convierte la energía
termal en una forma mecánica. Con el incremento de la temperatura, el líquido
y el vidrio del termómetro se expanden con diferente coeficiente de expansión,
causando que el líquido avance por el tubo capilar. Las partes principales de un
termómetro de líquido en vidrio típico se muestran en la figura.
Figura. Termómetro de líquido en vidrio.
El menisco es usado como el indicador. La forma del menisco es: para el
mercurio, la parte superior de la curva, para líquidos orgánicos, la parte inferior.
Cuando las fuerzas adhesivas son mayores que las fuerzas cohesivas, el
menisco tiende a ser cóncavo como en el caso de vidrio y líquidos orgánicos.
Por otra parte cuando las fuerzas cohesivas son superiores a las adhesivas, el
menisco es convexo como en el caso de mercurio en vidrio.
Fig. Forma de meniscos.
Un termómetro de lámina bimetálica o termómetro bimetálico
Es un dispositivo para determinar la temperatura que aprovecha el
desigual coeficiente de dilatación de dos láminas metálicas de diferentes
metales unidas rígidamente (lámina bimetálica). Los cambios de temperatura
producirán en las láminas diferentes expansiones y esto hará que el conjunto
se doble en arco.
En la práctica, las dos láminas anteriormente mencionadas se suelen bobinar
en espiral o en forma helicoidal, dejando un extremo libre al que se suelda un
índice o es solidario con una aguja indicadora que muestra, realmente, la
rotación angular de la misma sobre una escala graduada en grados
centígrados o Fahrenheit. La ventaja de los termómetros bimetálicos sobre los
líquidos es su mayor manejabilidad y su gran abanico de medidas. Son
ampliamente utilizados en la industria textil y constituyen el fundamento
del termógrafo, ampliamente utilizado en estaciones meteorológicas.
El órgano sensible está formado esta por dos láminas metálicas escogidas
entre metales que tenga sus coeficiencentes de dilatación lo más dispares
posibles y están soldados una contra la otra a lo largo de toda su longitud.
Cuando la temperatura varía, una de las láminas se dilata más que la otra,
obligando a todo el conjunto a curvarse sobre la lamina más corta. La lámina
bimetálica puede inicialmente estar enrollada en espiral. En este caso la lámina
interior esta hecha del metal que se dilata más. De esta forma, cuando la
temperatura aumenta la espiral se desenrolla. El movimiento se aplica un
sistema de sujetas a la extremidad de la espiral y que termina en una aguja que
indica la temperatura. Este principio se usa generalmente en los termógrafos
para obtener un registro continuo de la temperatura.
Termómetro de radiación total
Son los que miden la temperatura captando toda o una granparte de la
radiación emitida por el cuerpo. Los pirómetros de radiación total para uso
industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido
de diversas formas. El medio de enfocar la radiación que llega puede ser una
lente o un espejo cóncavo. Determinan la temperatura de una superficie en
base a la ley de Stefan- Boltzamann, es decir consideran la radiación es decir
que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo. Dtereminan la
temperatura de una superficie en base a la ley Stefan-Boltzamann, es decir
consideran la radiación emitida por la superficie en todas las longitudes de
onda.
Fig. . Esquema simplificado de un pirómetro de radiación
Termómetro de Radiación Selectiva Espectral
Los pirómetros ópticos se emplean para medir temperaturas de objetos sólidos
que superan los 700ºC. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian
suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del
llamado fenómeno del color de incandescencia. El color con el que brilla un
objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega
casi al blanco a unos 1 300º C. Este tipo de pirómetros utilizan un método de
comparación como base de operación. En general, una temperatura de
referencia es proporcionada en forma de un filamento de lámpara
eléctricamente calentada, y la medición de temperatura es obtenida
comparando de manera óptica la radiación visual del filamento contra la de la
fuente de calor a medir. En principio, la radiación de una de las fuentes, como
la ve el observador, es ajustada hasta coincidir con la radiación de la otra
fuente. Existen dos métodos: 1) La corriente a través del filamento es
controlada eléctricamente mediante un ajuste de resistencia, o 2) la radiación
aceptada por el pirómetro de la fuente desconocida es ajustada ópticamente
mediante algún aparato absorbente como un filtro polarizante. En ambos casos
el ajuste es requerido para la lectura de la temperatura.
La siguiente figura ilustra de forma esquemática la estructura de un pirómetro
de intensidad variable.
Fig. Diagrama Esquemático de un pirómetro óptico
En uso, el pirómetro es puesto en dirección de la fuente u objeto a analizar a
una distancia adecuada para que la lente del pirómetro enfoque la fuente en el
plano del filamento. La ventanilla de enfoque es ajustada de tal forma que el
filamento y la fuente aparezcan uno puesto sobre otro. En general, el filamento
aparecerá más caliente que la fuente o más frío que ella como se muestra en la
figura 4. Ajustando la corriente en la batería, el filamento debe de hacerse
desparecer como se ejemplifica en la figura 4c. La corriente medida en el
indicador conectado a la lámpara y a la batería es usado para asignar la
temperatura de la fuente.
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