UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE

LAUREATE INTERNATIONAL UNIVERSITIES

TEMA:

“MEDIDOR DE TEMPERATURA CON UNA TERMOCUPLA J”

ASIGNATURA:

Automatización Industrial

DOCENTE:

Ing. Raúl Paredes Rosario

INTEGRANTES:

ALCÁNTARA SÁNCHEZ, JORGE D’ANGLÉS MANTILLA, DIANA MEZA WENZEL, MARLON PÉREZ MANTILLA, ANA LUCÍA RAMÍREZ BRENIS, JOSÉ MANUEL SÁNCHEZ CARRANZA, ALEJANDRO

Trujillo – Perú

2009

PREPARACION DE CIRCUITOS DE MEDIDA DE VARIABLES DE PROCESOS INDUSTRIALES

MEDIDOR DE TEMPERATURA CON UNA TERMOCUPLA “J”

Toda industria requiere de una alta dosis de tecnologías de la información. La utilización de las computadoras en sus más diversas formas resulta fundamental en actividades relacionadas con control automático de procesos, así como también de supervisión y operación local y remota.

La medición de temperatura es uno de los tantos aspectos que esta incluido en la supervisión, sea esta local o remota.

Los transductores más utilizados son los infrarrojos y los llamados “termocupla”.

1. Principio de Funcionamiento

De todos los termómetros, las termocuplas son los más veloces en medir e indicar la temperatura final, de 2 a 5 segundos. En este caso, la temperatura se lee en una pantalla analógica. Estos termómetros miden la temperatura en el punto de conexión de dos alambres finos colocados en la punta de la sonda.

Los termocuplas que se usan en los laboratorios científicos poseen sondas muy finas, similares a las agujas hipodérmicas, mientras que otros pueden tener sondas tan gruesas como de 1/16 de pulgada (alrededor de 16 mm). Estos termómetros se pueden calibrar para mayor precisión.

TERMOCUPLA

Una termocupla es un transductor de temperatura, es decir, un dispositivo que traduce una magnitud física en una señal eléctrica. Está compuesta por dos alambres de metales diferentes, los que unidos convenientemente generan entre sus extremos libres una diferencia de potencial proporcional a la diferencia de temperatura entre ellos.

EFECTO F.E.M. SEEBECK

Su funcionamiento, se basa en un descubrimiento hecho por Seebeck en 1821: si se sueldan dos metales diferentes, cuyos extremos están a distintas temperaturas, aparece una f.e.m. (llamada f.e.m Seebeck). Posteriormente, se mostró que está f.e.m proviene en realidad de dos efectos diferentes:

Uno resultante sólo del contacto entre dos metales disímiles y la temperatura de dicha

unión. Este es el llamado Efecto Peltier el cual es debido a la difusión de electrones desde el conductor con mayor densidad electrónica al de menor densidad.

Otro, debido a los gradientes de temperatura a lo largo de los conductores en el circuito. Este es el llamado Efecto Thompson el cual es debido al flujo de calor entre los extremos de los conductores, que es transportado por los electrones, induciendo entonces una f.e.m. entre los extremos de los mismos.

TERMOCUPLA TIPO J (Fe - CuNi)

La termocupla Tipo J es la conocida como la termocupla hierro - constantán. El hierro es el conductor positivo, mientras que para el conductor negativo se recurre a una aleación de 55 % de cobre y 45 % de níquel (constantán).

Las termocuplas Tipo J resultan satisfactorias para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760º C. Por encima de 540º C, el alambre de hierro se oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental de la termocupla Tipo J es su bajo costo.

2. Ecuaciones relevantes

Fórmula de Ganancia del Amplificador Operacional

Podemos definir de manera informal a un amplificador operacional como un circuito electrónico, generalmente se obtiene en forma de circuito integrado o chip, que consta de dos entradas (V+ y V-) y una sola salida (Vout). Esta salida es la diferencia entre las dos

entradas, multiplicada por un factor de potencia, que a lo largo de estas páginas llamaremos G. Por lo tanto:

Vout (Salida)= G x (V+ - V-)

Vouy (Salida)= I max * (Rajuste + Rinterna)

El símbolo de un MONOLITICO es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son:

V+: entrada no inversora

V-: entrada inversora

VOUT: salida

VS+: alimentación positiva

VS-: alimentación negativa

Ley de Ohm

La Ley de Ohm establece que "La intensidad de la corriente eléctrica que circula por

un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada

e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar

matemáticamente en la siguiente ecuación:

PARA CIRCUITO DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA CON TERMOCUPLA

U MAX = URajuste + URint = Imax*(Rajuste + Rint)

I = Intensidad en amperios (A)

V = Diferencia de potencial en voltios (V) ó (U)

R = Resistencia en ohmios (Ω).

3. Características metrológicas de la variante seleccionada

ERROR DE MEDICIÓN

ERROR DE MEDICION CONVENCIONAL (ABSOLUTO)(ΔX )conv=Xm−X e ⇒ ΔX=Xm−X

X = Error de medición Xm = Valor medido X = Valor real

Error relativo real:

Relación entre el error y el valor verdadero, es un valor porcentual.

CLASE DE PRECISION DE UN INSTRUMENTO DE MEDIDA

Indica el error relativo límite en % que afecta la medición. Normalmente el valor de la

clase de precisión lo establece y garantiza el fabricante del instrumento de medición.

c=( ΔX )máxXmáx

∗100 [% ]

TESTEO 1:

Medidor deTermómetro de alcohol

T° con TC

Tº indicador (Xm)Tº

termómetro (Xv)

E. absoluto (T) E. Relativo

95 98 3 3.16%85 90 5 5.88%50 60 10 20.00%80 82 2 2.50%90 94 4 4.44%95 98 3 3.16%

100 100 0 0.00%98 102 4 4.08%

200 170 30 15.00%210 180 30 14.29%

180 142 38 21.11%150 126 24 16.00%300 > 200

PROMEDIO 12.75 9.14%

CLASE DE PRECISIÓN C = 9.50%

SPAN DE MEDIDA ( 0 - 400 ) C

RANGO DE MEDICIÓN

( 50 - 300 ) C

SENSIBILIDAD 39.130-(-7.89) 0.05224 mV700-(-200) °C

DIAMETRO DEL 3mm y 1 mmALAMBRE

APROPIADO

Las mediciones se llevaron a cabo con midiendo distintos puntos de ebullición:

AGUAMIEL DE ABEJA

TESTEO 2:

Para la segunda prueba mejoramos la calibración del instrumento regulando el

potenciómetro multivueltas para que nos de resultados más exactos al momento

de realizar la medición de temperatura.

Medidor deTermómetro de alcohol

T° con TC

Tº indicador (Xm) - Aproximadamente

Tº termómetro (Xv)

E. absoluto (T)

E. Relativo

180 182 2 1.11%80 78 2 2.50%60 62 2 3.33%90 88 2 2.22%

200 196 4 2.00%150 142 8 5.33%100 100 0 0.00%98 102 4 4.08%

170 162 8 4.71%50 46 4 8.00%

110 106 4 3.64%190 178 12 6.32%300 > 200

PROMEDIO 4.333333 3.60%

CLASE DE PRECISIÓN C = 3.00%

SPAN DE MEDIDA ( 0 - 400 ) C

RANGO DE MEDICIÓN ( 50 - 300 ) C

SENSIBILIDAD 39.130-(-7.89) 0.052244444 mV700-(-200) °C

RON

Como se observa se disminuyó la incertidumbre y la precisión de clase en el segundo

testeo, por lo que la calibración y método de medición anterior eran inadecuados.

CUADRO LINEAL TEMPERATURA VS VOLTAJE

Para tomar los datos se requirió la ayuda de un Multitester, con el cual se midió el voltaje

que generaba la termocupla (la medición se realizó directamente de la bornera) al

momento que tomaba la temperatura de una llama de fuego.

GRAFICA

Si 0 < r < 1, existe una correlación positiva; es decir, existe una relación directa entre la temperatura

medida y el voltaje registrado.

Voltaje TemperaturamV T°0 T° Ambiente

20 36014 300

10.7 2809.5 2508.3 2206.8 2005.7 1805.1 1504.5 1203.7 1002.6 50

Coeficiente de Correlación - R 0.94611193

0 5 10 15 20 250

50

100

150

200

250

300

350

400f(x) = 17.1476699644501 x + 59.2069818392262R² = 0.895127792743667

4. Esquema de funcionamiento

5. Esquema de montaje

El indicador analógico es un instrumento que nos muestra la escala de calibración de nuestra variable a medir, este indicador posee una resistencia interna y

una aguja que oscila adoptando un comportamiento lineal ante el estímulo de alimentación de voltaje proporcionado por la

Batería de 9 voltios de corriente continua, utilizada como fuente de

voltaje para nuestro proyecto.

Piezas de ensamble:

6. Costo estimado del instrumento

Conector Batería S/ 0.50 Termocupla S/ 40.00 Bornera S/ 1.00 Batería S/ 3.00 5 Resistencias S/ 0.50 Miliamperímetro S/ 4.00 Regulador 5 voltios S/ 1.50 Baquelita Universal S/ 1.00

S/ 51.50

7. Aplicaciones industriales

Fabricación de piezas de aluminio por extrusión

La extrusión es un proceso tecnológico que consiste en dar forma o moldear una masa haciéndola salir por una abertura especialmente dispuesta para conseguir perfiles de diseño complicado.

Conexiones de los terminales de la Termocupla tipo “J”, los cables de

alimentación de voltaje, el regulador de voltaje 7805, el amplificador de señal de la termocupla y el indicador

analógico.

Se consigue mediante la utilización de un flujo continuo de la materia prima, generalmente productos metalúrgicos o plásticos. Las materias primas se someten a fusión, transporte, presión y deformación a través de un molde según sea el perfil que se quiera obtener.

El aluminio debido a sus propiedades es uno de los metales que más se utiliza para producir variados y complicados tipos de perfiles que se usan principalmente en las construcciones de carpintería metálica. Se puede extruir tanto aluminio primario como secundario obtenido mediante reciclado.

El proceso de extrusión de aluminio

Las características fundamentales del proceso son las siguientes: Un lingote caliente, cortado de un tocho largo (o, para diámetros pequeños, de una barra extruida más grande), se aloja dentro de un contenedor caliente, normalmente entre 450 ºC y 500 ºC. A estas temperaturas, la tensión de flujo de las aleaciones de aluminio es muy baja, y aplicando presión por medio de un pistón hidráulico (ariete) el metal fluye a través de una matriz de acero situada en el otro extremo del contenedor. Este proceso da, como resultado, un perfil cuya sección transversal viene definida por la forma de la matriz.

Principio de la extrusión

Todas las aleaciones de aluminio pueden ser extruidas, pero algunas son menos adecuadas que otras, ya que exigen mayores presiones, permiten sólo velocidades bajas de extrusión y/o tienen acabado de superficie y complejidad de perfil menores de las deseadas.

La potencia de empuje de las prensas varía desde unos pocos cientos de toneladas hasta 20.000 toneladas, aunque la mayoría están en el rango comprendido entre 1.000 y 3.000 toneladas. El diámetro de los tochos de extrusión va desde 50 mm. hasta 500 mm. con una longitud de entre 2 y 4 veces el diámetro. Aunque la mayoría de las prensas tienen contenedores cilíndricos, algunas los tienen rectangulares para la producción de perfiles con secciones anchas y de pequeño espesor.

Procedimiento para la producción de poliolefinas en un reactor autoclave.

Se presenta un proceso mejorado para la producción de poliolefinas en un reactor de autoclave que tenga diferentes zonas de reacción que funcionan a una presión de entre 100 y 300 mpa y a una temperatura de entre 100 (grados) y 300 (grados) c. Durante el funcionamiento, las temperaturas se miden de forma

continua dentro del reactor de autoclave en puntos específicos distribuidos a lo largo de la longitud del reactor. Cada una de las temperaturas medidas se compara con una temperatura preseleccionada correspondiente y la desviación detectada entre cada par de temperaturas preseleccionadas y medidas se utiliza en la regulación de la cantidad de monómero y de iniciador suministrado al interior de la autoclave a través de varias entradas del suministro distribuidas a lo largo de la longitud del reactor, para minimizar las desviaciones de temperatura y de esta forma obtener un control mejorado del proceso de polimerización.

DESTILACIÓN

Destilación es el proceso de separar vapor de un líquido por ebullición y después condensar el vapor. El fraccionamiento viene a ser la separación por destilación. Si una mezcla de varios hidrocarburos, digamos butano, pentano y hexano, se envía a un sistema donde se separen en recipientes cada hidrocarburo en función de su presión de vapor se logrará tener butano, pentano y hexano separados en sus respectivos tanques de almacenamiento, se dice que la mezcla ha sido separada o fraccionada.

El crudo es precalentado en circuitos de intercambiadores de calor y posteriormente ingresa al horno hasta lograr temperatura óptima para obtener en la torre de destilación diferentes productos de hidrocarburos que se comercializan, tales como gasolinas, kerosene, diesel petróleos industriales (Residuales), asfaltos etc. Cada uno de estos productos, es una mezcla que contiene muchos hidrocarburos puros.

Mediante el control adecuado de los procesos de destilación se pueden elaborar productos refinados que satisfagan especificaciones bastante rígidas tales como punto de inflamación, rango de ebullición, viscosidad, etc.

La aplicación de un medidor de temperatura en rangos de 0º a 500º aplica al control de las variables de temperatura de este proceso; dado que en la columna de destilación se identifican mediciones en esta escala.

Presión y Destilación

Los parámetros de presión y temperatura son fundamentales en los procesos de destilación, la condición de operación bajo la cual funciona la torre de destilación cae dentro de uno de estos grupos: destilación a presión atmosférica, destilación al vacío o destilación a mayores presiones.

Presión de Vapor

Un recipiente cerrado con líquido y sometido a calor, por efecto calorífico se inicia el desprendimiento de moléculas de la superficie del líquido, como vapor hasta un momento determinado en que se equilibra la cantidad de moléculas que salen y retornan a la superficie del líquido. Al instalarse un manómetro la lectura corresponderá a la presión de vapor del recipiente.

El equilibrio líquido-vapor corresponde a una cantidad definida de calor suministrada al sistema, sí se aumenta o disminuye calor se originará un nuevo estado de equilibrio.

En los hidrocarburos, el metano tiene mayor presión de vapor que el etano, el etano mayor presión de vapor que el propano, y así sucesivamente.

Si en un recipiente se tiene una mezcla de metano y butano, el metano se separa rápidamente de la mezcla debido a la gran diferencia existente entre las presiones de vapor de ambos.

Columna de Destilación Atmosférica, o de Fraccionamiento

La columna de destilación atmosférica, llamada también torre de fraccionamiento ó torre de burbujeo permite la separación de los componentes del petróleo en un rango de temperatura.

La denominación de torre de burbujeo se refiere al hecho común que en ella los vapores burbujean a través del líquido contenido en las bandejas. Esto da lugar a que los vapores ascendentes entren en contacto con el líquido descendente (reflujo) de bandeja en bandeja.

La columna de destilación es usada para separar las fracciones de hidrocarburos con puntos de ebullición similares.

El crudo que ingresa a la zona de vaporización (flah) a la temperatura óptima para separar las fracciones, sufre una disminución de presión vaporizando súbitamente todos los componentes livianos y ascendiendo a través de cada plato de burbujeo donde se encuentra en contracorriente con el líquido que baja internamente por la columna y que constituye el reflujo interno. En cada plato ocurre transferencia de masa entre los componentes que conforman los vapores de hidrocarburos que ascienden y el líquido condensado que desciende, los componentes volátiles arrastran la parte volátil del líquido del plato y ascienden con el vapor al plato superior y los menos volátiles condensan en el líquido y son arrastrados hacia el siguiente plato inferior.

Los hidrocarburos que hierven a baja temperatura ascienden a la cabeza del fraccionador, mientras que los hidrocarburos con puntos de ebullición intermedios ascienden a la mitad del fraccionador, y los hidrocarburos con puntos de ebullición elevados permanecen en los fondos del fraccionador.

El calor que se requiere para destilar es suministrado parcialmente por el intercambio entre las corrientes de alimentación y las corrientes de los productos extraído en intercambiadores de calor.

UBICACIÓN DEL INSTRUMENTO DE

MEDICIÓN AUTOMATIZADO

Utilizando una Termocupla tipo “J” justo en las tuberías de ingreso del fluído a la columna de destilación, podremos monitorear de manera automatizada la variación de temperatura en este punto, además sería recomendable tener transductores que midan la presión y el flujo, asi podremos controlar todas las variables representativas del proceso.

PRODUCTOS - UNIDAD DESTILACION PRIMARIA

Gases Incondensables de Tope, descargan a la atmósfera.

Gasolina, tanques de Gasolina Primaria. Solvente, a tanques de almacenamiento de

Solvente. Solvente pesado, con punto de inflamación

alto, que se alinea al kerosene. Kerosene, a tanques de almacenamiento. Diesel, a tanques de almacenamiento.

REPRESENTACIÓN DE UNA UNIDAD DE DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA O DE

FRACCIONAMIENTO EN EL PROGRAMA LAB VIEW

La columna de destilación atmosférica, permite realizar la separación de los componentes del petróleo en un rango de temperatura.

Representación en el Programa LAB VIEW:

Cuando se presiona la llave 1, la columna empieza a llenarse y el crudo es precalentado en circuitos de intercambiadores de calor y posteriormente ingresa al horno hasta lograr temperatura óptima para obtener en la torre de destilación diferentes productos de hidrocarburos que se comercializan, tales como gasolinas, kerosene, diesel petróleos industriales (Residuales), asfaltos etc.

Cuando la columna se halla llenado hasta su tope y empieza el proceso de destilación, se va aumentando la temperatura que va a ser medida por las termocuplas. Como cada producto posee una temperatura distinta que es registrada por el termómetro, va saliendo de la columna de destilación cada componente para ser almacenado en los tanques.

PANEL FRONTAL: (El sistema de funcionamiento completo se encuentra adjunto en el CD)

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se encontraron las siguientes limitaciones se aplicables al uso de las termocuplas Tipo J:

• No se deben usar en atmósferas sulfurosas por encima de 540º C.

• A causa de la oxidación y fragilidad potencial, no se las recomienda para temperaturas inferiores a 0º C.

• En la columna de destilación de petróleo, se recomienda instalar transductores para medir presión y flujo

• Las termocuplas J son sensores de temperatura de uso industrial más común y

fáciles de reemplazar que existen.

• Las termocuplas J son económicas, físicamente muy rígidas y cubren un amplio

rango de temperaturas (-180 a 1370 ºC)

• No es recomendable usar termocuplas cuando es necesaria una lectura de

temperatura muy precisa (décima de ºC) pues la compensación de cero requerida

por las termocuplas introduce un error típicamente del orden de 0.5 ºC