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1 TEMPERATURA S. III a C. Filón de Bizancio ( a.c) CALOR Y TEMPERATURA Es fundamental distinguir conceptualmente entre cantidad de calor y temperatura, para eso utilizaremos el siguiente ejemplo: Supongamos dos recipientes, uno de los cuales tiene una pequeña cantidad de agua y el otro una gran cantidad de agua, si los colocamos sobre dos calentadores idénticos y los calentamos durante el mismo tiempo, es evidente que al cabo de éste tiempo, la temperatura de la pequeña cantidad de agua se habrá elevado más que la de la grande. En éste caso se ha suministrado la misma cantidad de calor a cada recipiente de agua, pero el incremento de temperatura no es el mismo en los dos casos. Ahora supongamos los mismos recipientes a una temperatura inicial de 30 C y se calientan hasta 80 C. Obviamente debimos suministrar mas calor al recipiente que contiene mas cantidad de agua. La variación de temperatura es la misma para ambos, pero las cantidades de calor suministradas son muy distintas. El calor es una forma de energía y la cantidad de calor que interviene en un proceso se mide por algún cambio que acompaña a éste proceso y una unidad de calor se define como el calor necesario para producir una transformación tipo convenida. Tres unidades conocidas son: Caloría-Kilogramo, es la cantidad de calor que ha de suministrarse a un kilogramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. Caloría-gramo (Caloría), es la cantidad de calor que ha de suministrarse a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. Btu, es la cantidad de calor que ha de suministrarse a una libra (454 grs.) de agua para elevar su temperatura un grado Fahrenheit. 1 Btu = 252 cal. =0,252 Kcal. Mientras que, podemos decir que la temperatura de un cuerpo es una medida de su estado relativo de calor o frío. Para poder medir la temperatura debemos usar alguna propiedad física que varíe con ella, alguna de estas propiedades son: 1. Variación en volumen ó en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos ó gases), 2. Variación de resistencia eléctrica de un conductor (RTD) 3. f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termocuplas) 4. Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros por radiación)

2 De éste modo se emplean los siguientes instrumentos: Termómetros de vidrio. Consta de un depósito de vidrio que contiene por ejemplo mercurio y que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar, los rangos de trabajo de los más usados son Mercurio 35 a +280 C, Alcohol 110 a +50 C Caso particular: Para medir la temperatura máxima y mínima en un periodo de tiempo se utilizan los termómetros de máxima-mínima. Tiene dos escalas (dos columnas de mercurio), una de máxima y otra de mínima. Las escalas están invertidas, la de máximas aumenta de abajo arriba y la de mínimas al revés, pero en las dos escalas las temperaturas bajo cero estna señaladas por números de color rojo. Cada escala tiene una barrita azul (es un cursor deslizante). El cursor se mueve empujado por la columna de mercurio. El cursor azul (aguja azul) "recuerda" hasta donde llegó el mercurio y su parte inferior muestra hasta donde llego el mercurio. Para poner el termómetro en disposición de registrar nuevas medidas debemos pulsar unl botón central en algunos modelos y en otros moverlos con un imán exterior.

3 Bulbos y capilar rellenos de líquido, gas ó vapor. Consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Partes de un termómetro de bulbo BULBO: elemento sensible a los cambios de temperatura BOURDON, FUELLE ó DIAFRAGMA: elemento sensible a los cambios de presión y volumen TUBO CAPILAR para interconectar el conjunto MECANISMO indicador, transmisor o registrador de la señal de temperatura. Existen diferentes tipos de Termometros de bulbo y dependiendo del fluido interior se clasifican de la siguiente manera: Sistema Clase I Sistema Clase II Sistema Clase III Sistema Clase V Bulbo lleno de líquido, excepto Mercurio Bulbo lleno de vapor Bulbo lleno de gas Bulbo lleno de Mercurio Sistemas Clases I y V funcionan por expansión volumétrica del líquido con la temperatura. El rango de medición -75 C y 650 C. Cuando el capilar excede los 6 ó 8 mts requiere un sistema de compensación.

4 Sistemas Clases II (Bulbo lleno de vapor) funcionan por cambio en la presión de vapor de un líquido, dando una relación no lineal entre la presión de vapor y la temperatura. El rango oscila entre -254 C a +315 C, dependiendo del fluido utilizado, estos a su vez se clasifica en sistemas Clases IIA, IIB, IIC y IID, dependiendo de la temperatura de operación. Sistemas Clase III (Bulbo lleno de gas) funcionan por cambio en las presiones del gas con la temperatura. Tiene una relación lineal y puede aplicarse a la ley de gases Ideales, para relacionar la temperatura con la presión. Rango depende del gas utilizado t va desde -270 C hasta +760 C. TIPO LIQUIDO VAPOR GAS PRINCIPIO DE OPERACIÓN CAMBIO EN EL VOLUMEN CAMBIO EN LA PRESION CAMBIO EN LA PRESION CLASE I II III FLUIDO LIQUIDOS ORGANICOS LIQ. ORGANICOS, AGUA GASES PUROS RANGO C C C TAMAÑO DEL SENSOR PEQUEÑO MEDIANO MAYOR ESCALA UNIFORME NO-UNIFORME UNIFORME PRESICION A +- 1 % DEL SPAN VEL. DE RESPUESTA LENTO RAPIDO A MODERADA MODERADA APLICACIÓN TUBERIAS SECADORES, CRIOGENIA DUCTOS DE AIRE, VAPOR, HORNOS

5 Pirómetros de radiación. Se fundan en la ley de Stefan-Boltzmann que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo Termistores. Son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado. UNIDADES: ESCALAS CELCIUS, FARENHEIT, ABSOLUTA Las escalas de temperatura más comúnmente usadas son dos, Centígrada y Fahrenheit, ésta última principalmente en los países anglosajones con la característica de que para temperaturas relativamente bajas continúa siendo positiva. Para definir cada escala, se eligieron dos temperaturas de referencia, llamadas puntos fijos y le asignaron valores arbitrarios, fijando así el punto cero y el valor de la unidad de temperatura. Una de las temperaturas de referencia, el punto de fusión del hielo, es la temperatura de una mezcla de agua saturada de aire y hielo a la presión de una atmósfera. La otra temperatura de referencia es el punto de ebullición del agua a la presión de una atmósfera. En la escala centígrada estos puntos de referencia corresponden a 0 y 100 respectivamente, mientras que la escala Fahrenheit les asigna los valores 32 y 212. Podemos convertir un valor de temperatura a la otra escala aplicando las sig. Relaciones: 9 5 t t 32 t t 32 f 5 c c 9 f La escala absoluta ó Kelvin (en honor de lord Kelvin) utiliza una escala cuyo punto cero coincide con el cero absoluto que es la temperatura mas baja que puede obtenerse y corresponde a 273,16 C redondeándose en 273 C, por lo que: 0 C 273 K SIMBOLOGÍA DE INSTRUMENTACIÓN NORMA ISA TW TE TI TE VAINA ELEMENTO PRIMARIO INDICADOR ELEMENTO PRIMARIO DE TEMPERATURA CON VAINA LOCAL

6 TERMÓMETROS BIMETÁLICOS PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como el latón, monel ó acero y una aleación de ferro-niquel laminados conjuntamente. Con algunas excepciones, las dimensiones de todos los cuerpos aumentan cuando se eleva su temperatura, si una muestra dada tiene forma de barra solo interesa su variación de longitud con los cambios de temperatura t o Lo L L t 1 L - Lo = L Se encuentra experimentalmente que el aumento de longitud L es proporcional a la longitud inicial Lo y muy aproximadamente proporcional al aumento de temperatura, t to osea: L Lo t o bien L Lo t L 1 Lo t El coeficiente de dilatación lineal de una sustancia puede definirse, por consiguiente, como la variación relativa de longitud al elevar un grado la temperatura. Otra relación útil se obtiene reemplazando L por L-Lo y despejando L, L Lo( 1 t) Lo, L y L están expresadas en la misma unidad. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices se encuentran adheridas entre si (no fundidas), al someterlas a temperatura tienden a desenrollarse, la lámina interior es la que tiene más expansión y la exterior que también se expande, pero menos actúa como resorte. Un extremo de la espira se encuentra firmemente vinculado a las paredes del bulbo y el otro extremo tiene adherido un eje que es el eje de la aguja. El bimetal está recubierto por un tubo, que también se llama bulbo. En el extremo de éste se encuentran la caja con la escala y la tapa.

7 IDENTIFICACIÓN DE PARTES Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles, solo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral ó de la hélice y el propio elemento bimetálico El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el conjunto está construido con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento. La precisión del instrumento es de +- 1% y su campo de medida de 200 a +500 C Los termómetros bimetálicos se identifican con la sigla TI (Temperatura indicada), según las normas ISA y una numeración de cinco cifras en donde las tres primeras cifras indican el área de la planta donde se encuentra ubicado y las otras dos la correlativa en el proceso. Por Ej. : TI 25011, 1- Vástago 2- Bobina Bimetálica 3- Eje 4- Hexágono (Para llave) 5- Caja 6- Buje 7- Cojinete 8- Dial Interno 9- Anillo del Dial 10- Aguja Indicadora 11- Junta 12- Anillo 13- Conexión al Proceso 14- Ajuste Externo 15- Anillo "O" 16- Piñón de Ajuste 17- Engranaje de Ajuste 18- Tornillos 19- Visor

8 TIPOS VAINAS Las vainas son elementos de protección del bulbo del termómetro, y además nos permite retirar el termómetro con la línea en funcionamiento. Su construcción debe ser sólida de barra maquinada preferentemente de acero inoxidable 316 evitando tener partes soldadas. En ANCAP por ejemplo la rosca exterior debe ser de 1 NPT macho según la norma de Foster Weeler. La terminación de la vaina hacia el extremo inferior debe ser en forma cónica y pulida a espejo. El pulido a espejo se realiza para evitar que la fricción del pasaje del fluido no genere calor adicional. El otro extremo de la vaina debe ser de forma hexagonal para permitir su colocación con llaves fijas estriadas. La rosca interior debe ser de ½ NPT y el diámetro del orificio interior de la vaina es el diámetro exterior del bulbo del termómetro y el largo igual al largo del bulbo.

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10 INSTALACIÓN Y RETIRO DE VAINAS Y TERMÓMETROS BIMETÁLICOS Las vainas deben estar roscadas ó bridadas, en el caso de las vainas roscadas, estarán roscadas a una cupla que debe estar soldada a la línea o al recipiente. No se deben hacer roscas directamente en la pared de la cañería o del recipiente. Evite colocar bujes de reducción entre la cupla y la vaina, pues el buje puede prestarse a confusión con la cabeza hexagonal de vaina y al retirarlo se pueden ocasionar graves accidentes además de aumentar la probabilidad de futuras pérdidas. Las vainas roscadas deben usarse un sellador adecuado para la rosca o sea compatible con la temperatura y propiedades químicas del fluido. En el caso de vainas bridadas colocar la junta adecuada y con el torque adecuado para la clase de la cañería. Los selladores de rosca pueden ser cinta de teflón o selladores a base de resinas como Permatex, Versachem u otras marcas. Los termómetros bimetálicos se roscan directamente a la vaina por medio de la conexión del mismo. En la conexión poseen un maquinado para tomarlo con una llave, usar preferentemente llaves fijas. No apretar en exceso puesto que la rosca en este caso no va a sellar ningún fluido; dejarlo en posición correcta para su lectura.

11 SENSORES RTD A Sonda intercambiable. a. Bornes - b. Zócalo cerámico - c. Base de sujeción - d. Conductores - e. Vaina metálica - f. Aisladores cerámicos - g. Unión de elementos y conductores - h. Termorresistor - l. Largo de inserción B. Corte de una construcción con vaina y rosca a proceso con cabezal de conexiones y sonda colocada según DIN a. Cabezal - b. Cuello - c. Rosca a proceso - d. Aislador cerámico - e. Vaina metálica - f. Termorresistencia - g. Largo del elemento sensor - h. Largo de vaina - i. Largo de cuello PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El termómetro de resistencia se basa en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales aumenta al crecer la temperatura. La medida de temperatura utilizando sensores de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. El sensor consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio ó cerámica, mediante hilos de cobre se une el termómetro a un dispositivo para medir resistencias, puesto que la resistencia puede medirse con mucha precisión el termómetro de resistencia es uno de los instrumentos más precisos para la medida de temperaturas.

12 CARACTERÍSTICA DE LOS MATERIALES DE LA RESISTENCIA El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado coeficiente de temperatura de resistencia que expresa a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura. La relación entre éstos factores puede verse en la expresión lineal siguiente: Rt Ro ( 1 t) en la que: R o = resistencia en ohmios a 0 C R t = resistencia en ohmios a 1 C = coeficiente de temperatura de la resistencia Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las sig. Características: 1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de éste modo el instrumento de medida será muy sensible. 2. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad). 3. Relación lineal resistencia-temperatura 4. Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta) 5. Estabilidad de las características durante la vida útil del material. Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su coste. En general la sonda de resistencia de platino utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 0 C. Metal Resistividad /cm Coeficiente Temp. /. C Intervalo útil De Temp.. C mín. de hilo mm Costo relativo Resist. Sonda a 0 C, ohmios Precisión C Platino 9,83 0, a 950 0,05 Alto 25,100,130 0,01 Níquel 6,38 0, a 300 0,05 Medio 100 0,50

13 RTD 2 Hilos Si R3 es variable, la ajustamos hasta que la aguja del instrumento indique cero, en ese momento se cumplirá la relación R 1 = R 2 x R 3 Entonces despejando x podremos hallar el valor de resistencia de la RTD y buscando en la tabla hallaremos la temperatura desconocida Pero: La resistencia de los hilos de cobre a y b varía cuando cambia la temperatura: R 1 = R 2 R R 3 x + K(a+b) X = valor resistencia desconocida K = coeficiente de resistencia a y b = longitudes de los hilos de conexión de la RTD al puente RTD 3 Hilos R 1 = R 2 R R 3+ K a x + K b

14 CIRCUITO RTD DOS HILOS La RTD simple reemplaza uno de los elementos del puente y causa un desbalance y así como también cambios de resistencia. La salida se lee directamente o es usada para manejar otro circuito en el transmisor. Si la RTD esta localizada a una distancia desde el transmisor y puente entonces esta conduce por los dos hilos cuando un material más económico es usado para conectar la RTD al puente. Una de las limitaciones de la RTD de dos hilos es que los hilos conductores añadidos a la resistencia del circuito pueden causar errores de lectura. CIRCUITO RTD TRES HILOS Para ayudar a eliminar el error introducido por los hilos conectores se usa comúnmente una RTD de tres hilos con este propósito los efectos de la resistencia de cada uno de los hilos conductores ( A y B ) son eliminados por el puente debido a que cada uno es la conexión opuesta del puente. El tercer hilo ( C ) es un conductor de equilibrio. Los tres hilos unidos no eliminan todos los efectos de los hilos conductores, pero debido a que los sensores están localizados justamente cercanos a los transmisores, los efectos de los hilos conductores son pequeños y la aproximación provee una exactitud razonable. Ventajas y Desventajas de la RTD con la Termocupla Ventajas RTD Alta Precisión Mejor Linealidad Mejor Estabilidad No requiere compensación por junta fría Los hilos no requieren especial extensión Desventajas RTD Él limite de temperatura máxima es él mas bajo El tiempo de respuesta sin el termopozo es bajo ( El tiempo de respuesta es esencialmente equivalente cuando cualquier tipo de sensor es montado sin el terpopozo )

15 TERMOCUPLAS PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El termopar ó termocupla se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (una llamada caliente ó de medida y otra fría ó de referencia) se mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados: el efecto Peltier que provoca la liberación ó absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. En el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperatura con la unión de referencia. METAL A METAL B TIPOS DE TERMOCUPLA POR EL TIPO DE ALAMBRE La selección de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación, a la reducción y a la cristalización, que desarrollen una f.e.m. relativamente alta, que sean estables, de bajo costo y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre la temperatura y la f.e.m. sea lineal. Las usadas en la refinería son, TIPO J: de Hierro-constantán que es adecuada en atmósferas con escaso oxígeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rapidamente por encima de 550 C siendo un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de 750 C. TIPO K: de Cromel-alumel se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 y 1000 C. No debe ser usado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que esté protegido con un tubo de protección. TIPO R: Pt-Pt/Rh se emplean en atmosferas oxidantes y a temperaturas de trabajo hasta 1500 C

16 Caracteristicas de Termopares Tipo Intervalo de medida Aprox. f.e.m. mv/ C Hierro constantan Tipo J C Cromel-Alumel Tipo K C 0.04 Pt-Pt/Rh Tipo R C Límites de error Rangos Bajos +-2,2 C Rangos Altos C Rangos Bajos +-3 C Rangos Altos C Rangos Bajos +-1 C Rangos Altos +- 3 C POR EL TIPO DE JUNTURA Termopar con juntura a tierra. (Areas de refinería no actualizadas) Termopar con juntura aislada de tierra (instaladas en la refinería) Termopar con juntura expuesta (muflas de laboratorio) Ejemplos de tipo de juntura: TERMOPAR MÚLTIPLE El termopar múltiple consiste en un complejo de termopares encamisados que colocados y guiados convenientemente están insertos en una vaina de protección. Este termopar nos permite obtener un rápido y completo relieve de la temperatura a distintos niveles de profundidad.

17 TIPO SKIN Para la medición de temperatura en la piel de un tubo, las

18 CONSTRUCCIÓN Las termocuplas actualmente se construyen en forma compactada: los principales elementos que la conforman son: Una protección metálica externa que generalmente es de acero inoxidable. Los alambres termopares internos. Aislamiento de óxido de magnesio en polvo de alta resistencia de aislamiento. En este caso, los cables conductores están envueltos en un polvo mineral inerte y no conductor fuertemente compactado. Todo este conjunto va rodeado de una camisa metálica (de acero inoxidable o aleaciones de níquel) que forman una unidad hermética. Este tipo de ensamblaje se puede obtener en diámetros externos desde 0.25 hasta 19 mm inclusive y longitudes de unos pocosmilímetros hasta cientos de metros Las ventajas técnicas de éstas termocuplas son: mecánicamente estables, resistente a presiones, mayor velocidad de respuesta, alta resistencia a vibraciones, son flexibles y maleables. CABLE DE EXTENSIÓN El cable de extensión es el que nos une a través de la llamada línea de compensación el elemento, (termocupla) con el elemento de comparación, cuando por razones de seguridad ó practicidad éstos se encuentran a cierta distancia. Este cable debe tener características termoeléctricas idénticas a la de la termocupla en cuestión. El hecho de que éste cable posea éstas características no implica lógicamente que esté fabricado con el mismo material que el termopar (que es muy caro), sino que posee las mismas propiedades que aquel dentro de la gama de temperaturas admisibles. Las conexiones entre el cable de compensación, la termocupla y el instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de compensación, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la instalación debe evitar el paso próximo por fuentes de calor. MULTIPLEXADO La remodelación y luego la ampliación de la refinería trajo como novedad en la instalación de lazos de termocuplas, el multiplexado de las señales, en donde multiples señales de termocuplas a través de cables de extensión tradicionales (con un máximo de 16) llegan a una

19 caja de borneras cercana a dichos lazos y entran en un multiplexor que envía estas señales a través de un cable de comunicación serial a un demultiplexor ubicado en la sala de control que permite interpretar la señal recibida y enviar al sistema de control las señales recogidas en campo. Este sistema permite ahorrar miles de metros de cable de extensión, tiene el inconveniente que si falla un multiplexor fallan muchas señales de termocupla y en nuestro caso estos sistemas no son redundantes. Este procedimiento se aplica a las termocuplas utilizadas unicamente para indicación, las termocuplas componentes de lazos de control van directamente a la sala de control. Elemento sensor Campo de Aplicación Precisi ón Ventajas T. de vidrio -196ºCa+500ºC 1% Bajo precio, Simplicidad Larga vida Inconvenientes Frágil, Medida local (no control automático ni almacenamiento de valores) T. de bulbo -40ºC a 425ºC 1% Sin alimentación Voluminoso Montaje de energía delicado Medida local Compacto T. bimetálicos 0ºC a 500ºC 1% Precio Robustez Medida local T. de resistencia de platino -200ºC +500ºC 0.2% Sensibilidad Precisión Respuesta rápida Termistores 0ºC a +40ºC 0,01% Gran sensibilidad y precisión Respuesta rápida Pequeño tamaño Estable Termopares T -200ºC a 2% Pequeño Termopares J +250ºC 0.5% tamaño Termopares K 0ºC a +750ºC 1% Respuesta Termopares R o S 0ºC a ºC 0.5% rápida Termopares W 0ºC a ºC 1% Precio razonable 0ºC a ºC Pirómetros ópticos +50ºC a ºC Pirómetros de radiación total +50ºC ºC 0.5% No contacto Buena repetibilidad 0.5% No contacto Buena repetibilidad TABLA COMPARATIVA DE MEDIDORES DE TEMPERATURA a Frágil Más caro que el termopar El propio calentamiento No lineal Rango de aplicación limitado Afectados por corrosión Necesaria compensación de soldadura fría Elevado precio Difícil determinar Tª exacta Elevado precio Difícil determinar Tª exacta Lentitudde respuesta

20 PRÁCTICA 1. Identificar las partes componentes de un termómetro bimetálico 2. Interpretar la escala (Rango, apreciación ) 3. Identificar cupla, vaina y termómetro 4. Retirar un Termómetro para entregar a mantenimiento utilizando el procedimiento habitual. 5. Identificar las partes componentes de una Termocupla. 6. Realizar una experiencia de medición con una termocupla en buen estado y abierta.

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