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CAPITULO 3.
MEDICION DE LA TEMPERATURA
18/04/2012
Ing. Litzy Gastel Herrera
3.1 Datos Generales Viscosidad del Petrleo
La unidad en el sistema cgs para la viscosidad
dinmica es el poise (p), cuyo nombre homenajea
a Jean Louis Marie Poiseuille. Se suele usar ms
su submltiplo el centipoise (cp). El centipoise es
ms usado debido a que el agua tiene una
viscosidad de 1,0020 cp a 20 C.
1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cms) = 0,1 Pas.
1 centipoise = 1 LmPas.
La viscosidad de los crudos en el yacimiento
puede tener 0,2 hasta ms de 1.000 centipoise.
Efecto de la temperatura sobre la viscosidad:
el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de
un lquido es notablemente diferente del efecto
sobre un gas; en el caso de los gases la
viscosidad aumenta con la temperatura, mientras
que en caso de los lquidos, esta disminuye
invariablemente de manera marcada al elevarse la
temperatura. Al aumentar la temperatura del crudo
se disminuye su viscosidad debido al incremento
de la velocidad de las molculas y, por ende, tanto
la disminucion de su fuerza de cohesin como
tambin la disminucin de la resistencia molecular
enterna al desplazamiento.
Efecto de la presin sobre la viscosidad:
el efecto de la presin mecnica aumenta la
viscosidad. Si el incremento de presin se
efecta por medios mecnicos, sin adicin
de gas, el aumento de presin resulta en un
aumento de la viscosidad.
Este comportamiento obedece a que est
disminuyendo la distancia entre molculas y,
en consecuencia, se est aumentando la
resistencia de las molculas a desplazarse.
Efecto de la densidad sobre la
viscosidad: Se define como el
cociente entre la masa de un cuerpo y
el volumen que ocupa. La densidad de
un cuerpo est relacionado con su
flotabilidad, una sustancia flotara sobre
otra si su densidad es menor. Mientras
ms denso sea el fluido, mayor ser su
viscosidad
3.2 Temperatura de un objeto
3.2.1 Temperatura
Puede decirse que los propios
sistemas poseen una propiedad
fsica que determina si stos se
encuentran en equilibrio trmico
entre s. Esta propiedad se
denomina temperatura.
3.2.2 Medida de Temperatura Las medidas de temperatura para su transmisin
remota se producen como consecuencia de una
serie de fenmenos que a continuacin
enumeramos:
Efecto Seebeck (Generacin de una f.e.m. por el
efecto de variacin entre un bimetal o termopar).
Efecto Peltier (efecto contrario al Seebeck, al
generar una corriente en un bimetal, se desprende
calor).
Efecto Thomson (diferencia de densidad de
electrones en diferentes puntos de un hilo a distinta
temperatura).
As como se utilizan diversos fenmenos, tales
como:
Variaciones en volumen o estado de cuerpos
(termmetros de mercurio, gases, lquidos, etc.).
Variacin de la resistencia de un conductor
(termorresistencias, sondas de resistencia).
Variacin de la resistencia de un semiconductor
(termistores).
F.e.m. creada en la unin de dos bimetales dos
metales distintos (termopares).
Intensidad de radiacin total emitida por el cuerpo
(pirmetros pticos, pirmetros de radiacin, etc).
Otro factor importante a tener en
cuenta en las medidas de
temperatura es la necesidad de
instalar un elemento de proteccin
entre el sensor y el proceso, llamado
termopozo, vaina o thermowell.
Dicho elemento debe disearse y
coordinarse de acuerdo a las
especificaciones mecnicas del
proyecto.
3.3 Termmetros de lquido en tubo
de vidrio La propiedad termomtrica utilizada es el
volumen (V) del lquido cuyo cambio, en los casos en que el rea transversal del tubo es constante, resulta directamente proporcional con el cambio de longitud de la columna del lquido dentro del tubo
A su vez, ese cambio de volumen cumple una proporcionalidad directa con el cambio de temperatura (T) del lquido
Otro tipo de termmetro utilizado es el llamado de termmetro de Bulbo. Estos
consisten esencialmente en un bulbo
conectado por un tubo capilar a una
espiral. Cuando la temperatura del
bulbo vara, el volumen del gas del
interior vara, enrollndose o
desenrollndose la espiral moviendo la
aguja en consecuencia.
Adems de un gas, tambin es posible que los bulbos contengan lquido,
vapor o mercurio.
El termmetro de vidrio consta de un depsito de
vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al
calentarse se expande y sube en el tubo capilar
Termmetro de vidrio
Los mrgenes de trabajo de los fluidos empleados son:
Rango de trabajo en termmetros de vidrio
3.4 Unidades Al patrn utilizado para medir le
llamamos tambin Unidad de medida.
Las unidades de temperatura son C,
F, K, R (Rankine), Reamur, la
conversin ms comn es de C a F.
T(C) = t(F) 32/1.8
F = 1.8 tC +32
3.4.1Sistema Internacional ( S.I.)
Este nombre se adopt en el ao 1960 en la XI Conferencia
General de Pesos y Medidas,
celebrada en Pars buscando
en l un sistema universal,
unificado y coherente que
toma como Magnitudes
fundamentales
3.4.2 Escalas absolutas En el estudio de la termodinmica
es necesario tener una escala de
medicin que no dependa de las
propiedades de las sustancias.
Las escalas de ste tipo se conocen como escalas
absolutas o escalas de
temperatura termodinmicas.
- Kelvin Fue creada por William
Thomson, sobre la base de
grados Celsius, estableciendo as
el punto cero en el cero absoluto
(-273,15 C) y conservando la
misma dimensin para los
grados. Esta fue establecida en el
sistema internacional de
unidades en 1954.
3.4.3 Escalas relativas
Relativas por que se comparan con un proceso
fisicoqumico establecido
que siempre se produce a
la misma temperatura.
Grado Fahrenheit (F). Toma divisiones entre el punto de
congelacin de una disolucin de cloruro amnico la que
le asigna valor cero) y la temperatura normal corporal
humana (a la que le asigna valor 100).
Grado Raumur (R, Re, R). Usado para procesos
industriales especficos, como el del almbar.
Grado Romer o Roemer. En desuso.
Grado Newton (N). En desuso.
Grado Leiden. Usado para calibrar indirectamente bajas
temperaturas. En desuso.
Grado Delisle (D) En desuso.
Las siguientes frmulas asocian con precisin las
diferentes escalas de temperatura:
3.5 Conceptos bsicos de transductores
de temperatura
Los metales puros tienen un
coeficiente de resistencia de
temperatura positivo bastante
constante. El coeficiente de
resistencia de temperatura,
generalmente llamado coeficiente de
temperatura es la razn de cambio de
resistencia al cambio de temperatura.
3.6 Termmetros de resistencia La unin entre termmetro de resistencia
y aparato de medicin tiene lugar
generalmente en una conexin de 2 hilos
(valor y variacin de la impedancia del
cable se reflejan en la medicin). Para
una medicin de mayor precisin se
utilizan conexiones de 3 hilos, para
mediciones de alta precisin, de 4 hilos
con corriente constante y toma de tensin
de alta impedancia.
3.7 Termoresistencias (RTD)
El material que forma el conductor se caracteriza por el
llamado coeficiente de temperatura de resistencia que expresa, a una temperatura
especificada, la variacin de la
resistencia en ohmios del
conductor por cada grado cambia
su temperatura
La relacin entre estos factores puede verse
en la expresin lineal siguiente:
Rt = Ro (1 + a t)
En la que:
Ro = Resistencia en ohmios a 0 C
Rt = Resistencia en ohmios t C
a = Coeficiente de temperatura de la
resistencia
Para medir la resistencia hay que aplicar una
corriente, que, por supuesto, produce una
cantidad de calor que distorsiona los
resultados de la medida.
3.8 Termistores La relacin entre la resistencia y la
temperatura viene dada por la expresin
En la que:
Rt = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt
Ro = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia To
= Constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas.
Ventajas:
Una impedancia mucho ms alta que los RTD, por
lo que la reduccin de los errores provocados por
los hilos conductores hace bastante factible el uso
de la tcnica de dos hilos, que es mas sencilla.
Su alto rendimiento (un gran cambio de resistencia
con un pequeo cambio de temperatura) permite
obtener medidas de alta resolucin y reduce an
ms el impacto de la resistencia de los hilos
conductores.
La bajsima mas trmica del termistor minimiza la
carga trmica en el dispositivo sometido a prueba.
Desventajas:
La baja masa trmica tambin
plantea un inconveniente, que es la
posibilidad de un mayor auto
calentamiento a partir de la fuente de
alimentacin utilizada en la medida.
Falta de linealidad, lo que exige un
algoritmo de linealizacin para
obtener unos resultados
aprovechables.
3.9 Sensores de IC Los sensores de IC no tienen tantas opciones de
configuraciones del producto o de gama de
temperaturas, y adems son dispositivos activos,
por lo que requieren una fuente de
alimentacin.
Sensores basados en transistores,
diodos y circuitos integrados
3.10 Termopares
Estudios realizados sobre el
comportamiento de termopares han
permitido establecer tres leyes
fundamentales:
I. Ley del circuito homogneo. En un
conductor metlico homogneo no
puede sostenerse la circulacin de
una corriente elctrica por la
aplicacin exclusiva de calor.
II. Ley de metales intermedios. Si en un circuito
de varios conductores la temperatura es
uniforme desde un punto de soldadura A a otro
punto B, la suma algebraica de todas las fuerzas
electromotrices es totalmente independiente de
los conductores metlicos intermedios y es la
misma que si se pusieran en contacto directo A y B.
III. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m.
generada por un termopar con sus uniones a las
temperaturas T1 T3 es la suma algebraica de la
f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 T2 de la
f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las
temperaturas T2 T3.
3.10.1 Como funcionan los termopares
Cuando se calienta uno de los
extremos de un hilo, le produce
una tensin que es una funcin de
(A) el gradiente de temperatura
desde uno de los extremos del hilo
al otro, y (B) el coeficiente de
Seebeck, una constante de
proporcionalidad que vara de un
metal a otro.
Un termopar se compone sencillamente de dos hilos de diferentes metales unidos en un extremo y abiertos en el otro.
La tensin que pasa por el extremo abierto es una funcin tanto de la temperatura de la unin como de los metales utilizados en los dos hilos.
3.10.2 Cdigo de colores de los
termopares
Las cdigos ms comunes son:
3.11 Pirmetros de radiacin
Desde el punto de vista de
medicin de temperaturas
industriales, las longitudes de
onda trmicas abarcan desde
0.1 micras para las radiaciones
ultravioletas, hasta 12 micras
para las radiaciones infrarrojas.
Los pirmetros se utilizan:
Cuando no se pueden utilizar termopares
(rango, ambiente agresivo);
Cuando el rea a medir se mueve o tiene difcil
acceso.
Los instrumentos que miden la temperatura de
un cuerpo en funcin de la radiacin luminosa
que sta emite, se denominan pirmetros
pticos de radiacin parcial o pirmetros
pticos; mientras que los que miden la
temperatura captando toda o una gran parte
de la radiacin emitida por el cuerpo, se llamam
pirmetros de radiacin total.
3.11.1 Pirmetros pticos Pirmetro ptico
Los pirmetros pticos
automticos son parecidos a los
de radiaciones infrarrojos y
consisten esencialmente en un
disco rotativo que modula
desfasadas la radiacin del
objeto y la de una lmpara
estndar que inciden en
fototubo multiplicador.
3.11.2 Pirmetros de radiacin total
Principio de operacin de un
pirmetro de radiacin total.
La f.e.m que proporciona la termopila
depende de la diferencia de temperaturas
entre la unin caliente(radiacin
procedente del objeto enfocado) y la
unin fra.
Esta ltima coincide con la de la caja del
pirmetro es decir, con la temperatura
ambiente. La compensacin de esta se
lleva a cabo mediante una resistencia de
nquel conectada en paralelo con los
bornes de conexin del pirmetro.
3.12 Tabla comparativa de caractersticas
Puede verse un resumen de caractersticas de los
instrumentos de temperaturas de mayor uso.
Elementos de Medicin de
temperatura
Dispositivos de presin y temperatura