SENSORES DE TEMPERATURA

Presentación del tema: "SENSORES DE TEMPERATURA"— Transcripción de la presentación:

1 SENSORES DE TEMPERATURA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL CONTROLES ELÉCTRICOS y AUTOMATIZACIÓN SENSORES DE TEMPERATURA Presentado por.

2 SENSORES de TEMPERATURA

3 LOS SENSORES DE TEMPERATURA EN INSTRUMENTACION

4 Sensor de temperatura La medida de la temperatura constituye una de las mediciones más comunes e importantes efectuadas en los procesos industriales, estableciéndose sus limitaciones según el tipo de aplicación, la precisión. velocidad de captación, distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesario.

5 MEDICIÓN DE TEMPERATURA
Métodos no eléctricos: Cambio de volumen de un líquido Cambio de presión de un gas o vapor Cambio de dimensiones de un sólido Métodos eléctricos: Fem. generadas por termocuplas Cambio en la resistencia de materiales Comparando color de un filamento Energía recibida por radiación

6 Variación de resistencia en un conductor (sondas de resistencia).
Variación de resistencia de un semiconductor (termistores). f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares). Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación). Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.). CAMBIOS EN LAS PROPIEDADES QUE PERMITEN MEDIR LOS CAMBIOS DE TEMPERATURA

7 TERMÓMETROS DE VIDRIO El mismo consta de un bulbo que contiene un fluido que al calentarse se expande a través de un tubo capilar. El ejemplo más conocido es el de mercurio líquido

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12 SENSORES DE TEMPERATURA EN FUNCIÓN DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA
Termómetro de resistencias Detectores de temperatura resistivos (RTD) Termistores NTC y PTC Sensores de IC Sensores de semiconductor

13 TERMÓMETROS de RESISTENCIAS
Es un instrumento que consta principalmente de un hilo metálico arrollado en un elemento de soporte, dotado de los medios necesarios para determinar las variaciones de su resistencia eléctrica. Se basa en el efecto Joule-Thompson.

14 TERMOMETROS de RESISTENCIAS
La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. 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. Rt = R0 (1 + άΔT) En la que: R0 = Resistencia en ohmios a 0°C. Rt = Resistencia en ohmios a t °C. ά = Coeficiente de temperatura de la resistencia.

15 TERMOMETROS de RESISTENCIAS
Los materiales más usados son el níquel, el platino, el cobre, el plomo y algunos semiconductores. PT100". La precisión de estos instrumentos puede llegar a la centésima de grado centígrado

16 EL SENSOR de RESISTENCIA (RTD)
Las termo resistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad.

17 EL SENSOR de RESISTENCIA (RTD)
En general el sensor viene introducido dentro de un tubo protector metálico de acero inoxidable o construido de aceros especiales o aleaciones, como el Inconel, Incoloy y Hastelloy. Su construcción puede hacerse con 2, 3 o 4 cables, según la necesidad del proceso. La interconexión entre termorresistencias e instrumentos se realiza con cable común de cobre.

18 EL SENSOR de RESISTENCIA (RTD)
El platino encuentra aplicación dentro de un amplio rango de temperaturas y es el material más estable y exacto. En efecto, la relación resistencia-temperatura correspondiente al alambre de platino es tan reproducible que la termorresistencia de platino se utiliza como estándar internacional de temperatura desde -260ºC hasta 630ºC . RANGO DE OPERACIÓN PRECISIÓN (ºC) (grados) Platino a Níquel a Cobre a

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20 EL SENSOR de RESISTENCIA (RTD)

21 TERMISTORES Los Termistores compuesto de una mezcla sintetizada de óxidos metálicos. Son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo o positivo de valor elevado y que presentan una curva característica lineal tensión-corriente siempre que la temperatura se mantenga constante. Se conocen también con el nombre de NTC o PTC

22 El termistor se fabrica a partir de óxidos metálicos comprimidos y sintetizados.
Los metales utilizados son níquel, cobalto, manganeso, hierro, cobre, magnesio y titanio. Se pueden considerar típicas, las preparaciones de óxido de manganeso con cobre y óxido de níquel con cobre. Modificando las proporciones de óxido, se puede variar la resistencia básica un termistor. Se dispone de termistores con resistencias básicas a 25ºC desde unos pocos cientos hasta varios millones de ohms. Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura, tanto en gases como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales para cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar. Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio, plástico, bronce u otros materiales.

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24 Formas constructivas de termistores NTC
a.- Tipo glóbulo, con diferentes tipos de terminales. b.- Tipo disco c.- Tipo barra SIMBOLO

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29 PTC Para las PTC hay dos tipos de comportamiento según la composición y el dopado. Las de tipo cerámico presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura de Curie. Se denominan a veces posistores.Por encima de la temperatura de Curie, su coeficiente de temperatura es positivo. Por debajo es negativo o casi nulo. Las PTC basadas en silicio dopado presentan una variación más suave con la temperatura. A veces se comercializan ya linealizadas con la denominación de silistores. Se suelen utilizar en aplicaciones de medida.

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31 Alta sensibilidad y alta resistividad.
CARACTERISITICAS : Posibilidad de ligeros cambios de las características con el paso del tiempo. Este fenómeno se minimiza en los modelos sometidos a envejecimiento artificial. Intercambiabilidad sólo garantizada para modelos especiales. Necesidad de reajuste del circuito en caso de sustitución. Alta sensibilidad y alta resistividad. Comportamiento no lineal. Linealizable a costa de perder sensibilidad. Considerando varios modelos, amplio margen de temperaturas [-100ºC, +450ºC] Bajo costo.

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33 SENSORES DE IC Los sensores de circuitos integrados resuelven el problema de la linealidad y ofrecen altos niveles de rendimiento. Son, además, relativamente económicos y bastante precisos a temperatura ambiente.

34 Los sensores de circuito integrado se fundamentan en la característica de la unión p-n de los semiconductores. Están formados por circuitos integrados sobre un chip, el cual presenta una salida lineal y proporcional a la temperatura. Se consiguen sensores IC que presentan salidas en voltaje analógico y en forma digital. Por estar hechos a base de silicio, su rango de temperatura está limitado aproximadamente a los 150 °C. Una de las principales ventajas de los sensores IC es su fácil interfaces. Entre las desventajas se tienen: el limitado rango de temperatura, la necesidad de alimentación y el auto calentamiento.

35 CIRCUITOS INTEGRADOS EL LM35

36 FUENTE DE CORRIENTE EN FUNCION DE LA TEMPERATURA
LM35A es un circuito integrado que se comporta como una fuente de corriente en función de la temperatura l Rango de temperatura: 0 K hasta que se funde a unos 150º C Generación:10-6 A/K Exactitud de ±2% Resolución de 9 a 12 bits Generación de sensores inteligentes

37 DIODOS SEMICONDUCTORES
Su principio de funcionamiento se basa en la proporcionalidad del voltaje de juntura el diodo a la temperatura del mismo. Para el Sílice el factor de proporcionalidad es de - 2.2mV/ºC. Los rojos de temperatura de este sensor es de ºC hasta 15ºC. Son muy utilizados por su bajo costo, bastante lineales y de respuesta rápida. Una desventaja es que los diodos del mismo tipo pueden tener diferentes valores iniciales de voltaje de juntura, por lo tanto se deben incluir circuitos de calibración.

38 TERMOCUPLAS o TERMOPARES

39 TERMOPARES Los termopares o termocuplas se utilizan extensamente en la industria, ya que ofrecen una gama de temperaturas mucho más amplia y una construcción más robusta que otros tipos. Además, no precisan alimentación de ningún tipo y su reducido precio los convierte en una opción muy atractiva para grandes sistemas de adquisición de datos

40 SENSORES DE TEMPERATURA EN FUNCION DE LA FEM CREADA EN LA UNION DE DOS METALES
Un termopar esta constituido por dos metales diferentes, unidos físicamente en sus extremos. En la unión se crea una diferencia de potencial que depende de la temperatura (efecto termoeléctrico), que comparada con la que se genera en otra unión similar sometida a condiciones térmicas de referencia, da una medida de la temperatura existente en la primera unión.

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44 La termocupla es un circuito formado por dos cables distintos, unidos en ambos extremos, desarrollando un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas en las dos uniones a las cuales se les conoce como juntura de medición y juntura de referencia. Esto se puede observar en la figura siguiente.

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46 Las termocuplas se basan en 3 leyes empíricas básicas
Primero la Ley de los circuitos homogéneos que establece que en un circuito compuesto por un solo metal homogéneo no se puede mantener una corriente eléctrica solo por la aplicación de calor. La ley de los metales intermedios que establece que la FEM neta en un circuito que interconecta materiales diferentes es cero dado que se mantienen a la misma Temperatura. Finalmente la ley de las temperaturas intermedias o sucesivas donde se tiene una termocupla que tiene dos extremos a temperaturas diferentes. Supóngase T1 y T2. Con este arreglo se mide la FEM E1 . Manteniendo T2 constante y cambiando el otro lado de la termocupla por una temperatura T3 se mide una nueva FEM E2. Si se quiere una FEM entre T1 y T3 entonces esa E = E1 + E2. Este tipo de arreglo con T2 como una referencia es muy útil para determinar curvas de calibración.

47 Ley de los circuitos homogéneos
En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque se varíe la sección transversal del conductor.

48 Ley de los metales intermedios
La suma algebraica de las fuerzas termoelectromotrices en un circuito compuesto por un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito se encuentra a temperatura uniforme.

49 Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias
Dos metales homogéneos diferentes producen una tensión V12, cuando sus uniones están a T1 y T2, y hay una tensión V23 cuando están a temperaturas T2 y T3, Entonces, la tensión que aparecerá cuando las uniones se encuentren a T1 y T3 será la suma de las caídas de tensión V12 + V23 e igual a V13.

50 Los sensores termoeléctricos son dispositivos que presentan gran alcance de medida (-200°C a 3000°C), baja sensibilidad (5 a 75 µV/°C) y una respuesta no lineal, pero son de alta fiabilidad, buena estabilidad, rápida respuesta, relativo bajo costo además son componentes robustos y sencillos. El principio de funcionamiento de los sensores termoeléctricos se basa en los descubrimientos de Thomas Johann Seebeck 1822, de Jean C.A. Peltier 1834 y William Thompson 1847, denominados efecto Seebeck, efecto Peltier y efecto Thompson.

51 Efecto Seebeck Consiste en la aparición de una diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor eléctrico que se encuentra de manera simultánea a diferentes temperaturas. El efecto Seebeck es solamente un efecto termoeléctrico que convierte calor en electricidad. Rigurosamente el efecto Seebeck no es un efecto de juntura. Pero es muy aplicado a materiales con características diferentes. Se aplica a: Termocuplas en la medición de temperatura Termopilas en la generación de electricidad. Termoelectricidad en sistemas de enfriamiento

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53 Efecto Seebeck en un termopar
En un sistema que cuenta con dos materiales diferentes A y B, con dos uniones a diferente temperatura, el efecto Seebeck consiste en la aparición de una corriente eléctrica de intensidad I, que no depende de ni de la resistencia del conductor ni de la sección, sólo depende de la diferencia de temperaturas entre las uniones. Si el circuito se abre, aparece una fuerza termoelectromotriz, FEM, que depende de los metales y de la diferencia de temperatura entre las uniones.

54 Efecto Seebeck en un termopar Aparición de una diferencia de potencial

55 TERMOPARES l

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57 Efecto Peltier Descubierto por Jean C.A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos (interface isotérmico) al pasar corriente por ella. Al invertir la corriente, se invierte también el sentido del flujo del calor. Este efecto es reversible e independiente de las dimensiones del conductor. Depende solo del tipo de metal y de la temperatura de la unión. Por lo anterior el efecto Peltier es un efecto de Juntura.

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59 Efecto Thompson Descubierto por William Thompson en 1856, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo sometido a un gradiente de temperatura por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello cambia de signo al cambiar la dirección de la corriente. Liberándose calor cuando la corriente circula del punto más caliente hacia el más frío.

60 Efecto Thompson

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62 TIPOS DE TERMOCUPLAS En las uniones de termopar interesa tener: resistividad elevada para tener una resistencia alta sin requerir mucha masa, lo cual implicaría alta capacidad calorífica y respuesta lenta; coeficiente de temperatura débil en la resistividad; resistencia a la oxidación a temperaturas altas, pues debe tolerar la atmósfera donde van a estar, y linealidad lo mayor posible. Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales: níquel (90)/cromo (10) -cromel-; cobre (57)/ níquel (43); níquel (94)/aluminio (2)/manganeso (3)/silicio (1) -alumel-; etc. La protección frente al ambiente se logra mediante una capsula, normalmente de acero inoxidable. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor de dicha vaina.. En el cuadro se recogen las características de algunos de los termopares más comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI.

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66 Tipos de termopares Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox. Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.

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68 Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µV/°C. Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.

69 Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC). Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a ºC. El tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje. Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.

70 Tipo S (platino / rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C). Tipo T: es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200 ºC a 0 ºC. El conductor positivo está hecho de cobre y el negativo, de constantán.

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72 CARACTERISTICAS DE LAS TERMOCUPLAS
Comparativamente con los otros transductores de temperatura, los termopares destacan por su amplio margen de medida, globalmente de -270 a ºC, y en particular por las Características siguientes: POSITIVAS: o Dimensiones reducidas. o Estabilidad a largo plazo. o Robustos, versátiles y fiables. o Económicos. o Transductores activos (no requieren excitación externa). NEGATIVAS: o Baja sensibilidad. o Baja linealidad. o Requieren unión de referencia. Las graficas muestran las curvas Temperatura versus potencial generado para diferentes tipos de termocuplas

73 CARACTERISTICAS DE LAS TERMOCUPLAS

74 fem en función de la temperatura

75 COMPARACION ENTRE SENSORES DE TEMPERATURA

76 PIROMETROS

77 PIROMETROS DE RADIACION Y OPTICOS
Los pirómetros de radiación y ópticos son instrumentos utilizados para medir, por medios eléctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de los tipos anteriores.

78 SENSORES DE TEMPERATURA EN FUNCION DE LA INTENSIDAD DE RADIACION EMITIDA POR EL CUERPO
Llamado también pirómetro óptico, es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados celsius. El rango de temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados celsius hasta grados celsius. Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.

79 PIROMETROS DE RADIACION Y OPTICOS PIRÓMETRO DE RADICIÓN INFRARROJA
Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan - Boltzman y se destinan a medir elevadas temperaturas, por encima de 1600 °C mientras que los pirómetros ópticos se fundan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien y con ellos se han definido puntos por encima de 1063 °C en la Escala Internacional de Temperaturas. Las medidas pirométricas, exactas y cómodas, se amplían cada vez más, incluso para temperaturas relativamente bajas (del orden de 800 °C). PIRÓMETRO DE RADICIÓN INFRARROJA

80 Existen 3 tipos de pirómetros: los de radiación, los infrarrojos y los ópticos.
El primero acepta un muestreo controlado de la radiación total y mediante determinación del efecto calorífico del muestreo obtenido, un sensor térmico como una termopila (grupo de termopares conectados en serie) determina le medición de temperatura. El pirómetro óptico usa el ojo humano como el medio de detección estimando el cambio en el ancho de banda de radiación visual con temperatura. Finalmente el infrarrojo maneja un principio similar que al de radiación total, solo que las mediciones se restringen al segmento infrarrojo. Ninguno de los 3 necesita contacto directo con el objeto a analizar ni una distancia particular. En este trabajo solo se hablará sobre los 2 primeros tipos, por radiación y ópticos.

81 PIROMETROS DE RADIACION
Uno de los pirómetros más comunes es el pirómetro de absorción-emisión, que se utiliza para determinar la temperatura de gases a partir de la medición de la radiación emitida por una fuente de referencia calibrada, antes y después de que esta radiación haya pasado a través del gas y haya sido parcialmente absorbida por éste. Ambas medidas se hacen en el mismo intervalo de las longitudes de onda. Para medir la temperatura de un metal incandescente, se observa éste a través del pirómetro, y se gira un anillo para ajustar la temperatura de un filamento incandescente proyectado en el campo de visión. Cuando el color del filamento es idéntico al del metal, se puede leer la temperatura en una escala según el ajuste del color del filamento

82 PIROMETRO DE RADIACION

83 PIROMETROS DE RADIACION
Los pirómetros de radiación se emplean para medir temperaturas mayores de 550°C hasta un poco más de 1600°C captando toda o gran parte de la radiación emitida pro el cuerpo a analizar. Este tipo de pirómetros se fundamenta en la ley de Stefan–Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir, W = KT4, donde W (potencia emitida) = Flujo radiante por unidad de área K =Constante de Stefan-Boltzmann (cuyo valor es W / m2 K4). T =Temperatura en Kelvin La parte esencial del dispositivo consiste en una especie de lente de pirex sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en un termopila formada por varios termopares de pequeñas dimensiones y montadas en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa los hace muy sensibles a pequeñas variaciones de energía radiante y además muy resistentes a vibraciones o choques.

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85 PIROMETROS OPTICOS Existen dos métodos:
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: La corriente a través del filamento es controlada eléctricamente mediante un ajuste de resistencia, La radiación aceptada por el pirómetro de la fuente desconocida es ajustada ópticamente mediante algún aparato absorbente como un filtro polarizante

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87 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 Ajustando la corriente en la batería, el filamento debe de hacerse desparecer La corriente medida en el indicador conectado a la lámpara y a la batería es usado para asignar la temperatura de la fuente. Un filtro rojo es generalmente usado para obtener aproximadamente condiciones monocromáticas, y el filtro de absorción es utilizado para que el filamento opere a una intensidad reducida y así prolongar su vida.

88 APLICACION

89 HEMOS TERMINADO LA SEMANA 04