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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 o 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

eléctrica que

Ohm establece circula

por

que

"La intensidad de

un conductor

eléctrico es

la corriente directamente

proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional

a

la resistencia del

mismo",

se

puede

expresar

matemáticamente en la siguiente ecuación: 

I = Intensidad en amperios (A)



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

PARA

CIRCUITO

 DE

R = Resistencia en ohmios (Ω). MEDICIÓN DE TEMPERATURA

CON

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

3. Características metrológicas de la variante seleccionada ERROR DE MEDICIÓN ERROR DE MEDICION CONVENCIONAL (ABSOLUTO) (X)conv  Xm  Xe  X  X m  X   

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

Error relativo real:

Relación x 

entre

el

error

y

el

valor

verdadero,

es

un

valor

porcentual.

X X X *100 %  m *100 % X X

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 c

(X)máx * 100 % Xmáx

instrumento de medición. TESTEO 1: Medidor de T° con TC

Termómetro de alcohol Tº termómetr o (Xv) 98 90 60 82 94 98 100 102 170 180 142 126 > 200 PROMEDIO

E. absoluto (T) 3 5 10 2 4 3 0 4 30 30 38 24

CLASE DE PRECISIÓN

C=

9.50%

SPAN DE MEDIDA

( 0 - 400 ) C

RANGO DE MEDICIÓN

( 50 - 300 ) C

Tº indicador (Xm) 95 85 50 80 90 95 100 98 200 210 180 150 300

12.75

E. Relativo 3.16% 5.88% 20.00% 2.50% 4.44% 3.16% 0.00% 4.08% 15.00% 14.29% 21.11% 16.00%

9.14%

SENSIBILIDAD

DIAMETRO DEL ALAMBRE APROPIADO

39.130-(7.89) 700-(-200)

0.05224

mV °C

3mm y 1 mm

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

AGUA

MIEL DE ABEJA

TESTEO 2: Para

la

mejoramos

la

RON

segunda prueba calibración

instrumento

regulando

del el

potenciómetro multivueltas para que nos de resultados más exactos al momento de realizar la medición de temperatura. Medidor de T° con TC Tº indicador (Xm) Aproximadame nte 180 80

Termómetro de alcohol Tº termómetro (Xv)

E. absoluto (T)

E. Relativo

182 78

2 2

1.11% 2.50%

60 90 200 150 100 98 170 50 110 190 300

62 88 196 142 100 102 162 46 106 178 > 200 PROMEDIO

2 2 4 8 0 4 8 4 4 12

3.33% 2.22% 2.00% 5.33% 0.00% 4.08% 4.71% 8.00% 3.64% 6.32%

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) 700-(-200)

0.05224444 4

mV °C

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 Voltaje Temperatura mV T° 0 T° Ambiente 4. Esquema de 20 360 funcionamiento 14 300 10.7 280 Si 0 < r < 1, existe una correlación positiva; es decir, 9.5 250 existe una relación directa entre la temperatura 8.3 220 medida y el voltaje registrado. 6.8 200 5.7 180 5.1 150 4.5 120 3.7 100 2.6 50 Coeficiente de Correlación - R

0.94611193

5.

Esquema de montaje El Protoboard, o tableta experimental, es una herramienta que nos permite interconectar elementos electrónicos, ya sean resistencias, capacitores, semiconductores, etc. sin la necesidad de soldar las componentes. El protoboard está lleno de orificios metalizados con os de presión- en los cuales se insertan las componentes del circuito a ensamblar. Sirve para probar las conexiones antes de soldarlas.

El indicador Batería deanalógico 9 voltios es de un instrumento queutilizada nos corriente continua, muestra la escala depara como fuente de voltaje calibración de nuestra nuestro proyecto. variable a medir, este indicador posee una resistencia interna y una aguja que oscila adoptando un comportamiento lineal ante el estímulo de

Piezas de ensamble:    

Baquelita Amplificador de señal Regulador de voltaje a 5v 7805 Bornera (Conector Termocupla) 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.

6. Costo estimado del instrumento  Conector Batería S/ 0.50  Termocupla 40.00  Bornera  Batería  5 Resistencias  Miliamperímetro 4.00  Regulador 5 voltios  Baquelita Universal

S/ S/ 1.00 S/ 3.00 S/ 0.50 S/ S/ 1.50 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. 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 o con el líquido descendente (reflujo) de bandeja en bandeja.

UBICACIÓN DEL INSTRUMENTO DE MEDICIÓN AUTOMATIZADO es usada para

La columna de destilación 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. 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. 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