CALIBRACIÓN DE SENSORES

1. RESUMEN

En ésta experiencia conocimos el proceso de calibración de dos sensores de temperatura, observamos y medimos el enfriamiento de un termómetro y explicamos su comportamiento mediante la ley de enfriamiento de Newton.

El método que utilizamos para la primera parte es:

Colocar el termómetro de mercurio y la termocupla en el cilindro de aluminio con aceite, cada uno en un orificio. Usar el orificio menor del cilindro de calentamiento para el termómetro de Hg. No mida más halla de 90co para evitar el excesivo vapor de aceite. La unión fría de la termocupla debe estar en contacto con un baño de agua y hielo a cero grados celcios como se muestra en el esquema de la figura. utilice el otro termómetro para verificar esto. Caliente el sistema y anote el voltaje proporcionado por la termocupla ya amplificada. Al mismo tiempo que el voltaje anote la temperatura indicada por el termómetro patrón. Verifique en todo momento que la unión fría de la termocupla este a 0co. Graficamos el voltaje de salida de la termocupla en función de la temperatura. Realizamos un ajuste de curvas adecuado para sus datos y presentamos la ecuación de calibración de la termocupla que es V=511.5-800.5T. Realizamos lo mismo con el otro sensor (diodo). El montaje experimental es similar al de la termocupla, sin embargo vea este caso no se necesita el amplificador. Este sensor de temperatura trabaja con un circuito cuya conexión se muestra en la figura. La corriente medida en el circuito es de aproximadamente 2.2mA. este sensor no necesite una temperatura de referencia. Mida el voltaje en el diodo, con la mayor sensibilidad posible, con un voltímetro en función de la temperatura medida con el termómetro de mercurio patrón.

2. INTRODUCCION

En la actualidad existen muchas formas de medir la temperatura con todo tipo de sensores de diversas naturalezas. La necesidad de controlar procesos ha llevado a la innovación, a la hora de disponer de sensores que les ayuden a controlar, y son los sensores eléctricos los mas usuales en la medición de temperatura. Cada sensor tiene unas cualidades especiales que los convierten en más convenientes para un determinado proceso u objetivo, y también es importante conocer el comportamiento de la temperatura; es por ese motivo que los objetivos de la presente práctica son:

Conocer el proceso de calibración mediante la calibración de dos sensores.

Observar y medir el enfriamiento de un termómetro y explicar su comportamiento mediante la ley de enfriamiento de Newton.

3. TEORIA

A menudo la temperatura se define como aquella propiedad que miden los termómetros. También se introduce la temperatura basándose en alguna propiedad termométrica, por ejemplo la expansión de un líquido, un gas, la resistencia de un conductor, la tensión eléctrica generada por un par termoeléctrico (termocupla), etc. En la práctica existen numerosos tipos de sensores de temperatura o termómetros que, según la aplicación especifica, pueden ser los más adecuados. En la tabla siguiente se indican algunos tipos de termómetros y sensores de temperatura usuales junto a algunas de sus características más notables.

TABLA 1: MEDIDORES DE TEMPERATURA MÁS USADOS

Termocupla:

es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce unvoltaje (efecto

Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado

"punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de

referencia.

En Instrumentación industrial, los termopares son ampliamente usados como sensores de

temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de

medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores

del sistema inferiores a un grado Celsius son difíciles de obtener.

El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares

como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.

FIGURA 1: DIAGRAMA DE UNA TERMOCUPLA

Ley de Enfriamiento de Newton

Ley de enfriamiento de Newton: La siguiente expresión que se conocecomo ley de enfriamiento de Newton, describe en algunos casos el enfriamiento de un cuerpo hasta una temperatura final T f :

dTdt

=−k (T−T f )…(1)

K es una constante. La solución general de esta ecuación diferencial del primer orden es:

T (t )=A+Be−tτ … (2)

Donde A y B son constantes. El parámetro τ=K−1 se mide en unidades de tiempo y representa el tiempo “característico” del enfriamiento.

4. PARTE EXPERIMENTAL:

Materiales y equipos:

Un equipo de calibración de sensores de temperatura. Un amplificador logarítmico PM 5171. Un vaso pírex de 400 cc. Un termómetro de mercurio hasta 150co. Dos dados. Una mordaza (pinza) pequeña. Una base en V pequeña. Un termómetro digital. Seis pinzas cocodrilos Un cronometro Dos multímetros Una fuente de 0-10V cc Una fuente DIN 5V Una resistencia de 2kΩ Aceite de maquina Tres cables de 100 cm Tres cables de 50 cm Dos cables coaxialas Un adaptador BNC-conector hembra Un adaptador BNC-conector macho Hielo Un sensor de temperatura (termocupla tipo J ) Un sensor de temperatura (diodo )

5. Procedimiento:

Calibración de sensores con termocupla

1. Instale el equipo como se muestra en la figura . junto con el profesor verifique la conexión eléctrica del circuito de alimentación de la resistencia de calefacción. La resistencia de calefacción no debe ser sometida a una corriente mayor a 1A, esto corresponde a aproximadamente 9V en el medidor de la propia fuente. Si el calentamiento es muy lento o muy rápido, modifique la corriente para aumentar o disminuir la tasa de calentamiento del baño de aceite. El aceite se coloca en ambos orificios en una cantidad suficiente para que el contacto térmico sea adecuado.

2. Coloque el termómetro de mercurio y la termocupla en el cilindro de aluminio con aceite, cada uno en un orificio. Use el orificio menor del cilindro de calentamiento para el termómetro de Hg. No mida más halla de 90co para evitar el excesivo vapor de aceite. La unión fría de la termocupla debe estar en contacto con un baño de agua y hielo a cero grados celcios como se muestra en el esquema de la figura. utilice el otro termómetro para verificar esto.

3. El amplificador logarítmico tiene una entrada coaxial que se conecta directamente a la termocupla de la siguiente manera: conector amarillo al cable central del cable coaxial y el conector azul a tierra del cable coaxial. La salida del amplificador es conectada a un voltímetro mediante el adaptador BNC- conector macho. Verifique que este seleccionada la opción de medida DC del amplificador. La salida del amplificador no debe exceder los 10 V ya que de suceder esto significara que este está saturado y debe cambiar a una escala de menor amplificación.

4. Caliente el sistema y anote el voltaje proporcionado por la termocupla ya amplificada. Anote el factor de amplificación usado.

5. Al mismo tiempo que el voltaje anote la temperatura indicada por el termómetro patrón. Verifique en todo momento que la unión fría de la termocupla este a 0ºC.

6. Graficamos el voltaje de salida de la termocupla en función de la temperatura. Realizamos un ajuste de curvas adecuado para sus datos y presente la ecuación de calibración de la termocupla. Analice el grado de confiabilidad del ajuste realizado (grado de correlación).

Calibración con el diodo

1. Realice lo mismo con el otro sensor (diodo). El montaje experimental es similar al de la termocupla, sin embargo vea este caso no se necesita el amplificador. Este sensor de temperatura trabaja con un circuito cuya conexión se muestra en la figura. La corriente medida en el circuito es de aproximadamente 2.2mA. este sensor no necesite una temperatura de referencia. Mida el voltaje en el diodo, con la mayor sensibilidad posible, con un voltímetro en función de la temperatura medida con el termómetro de mercurio patrón. Grafique el voltaje sobre el diodo en función de la temperatura. Obtenga una curva de calibración para este sensor.

Ley de enfriamiento

1. Caliente el termo metro de mercurio hasta unos 110coaproximadamente con el cilindro. No es necesario colocar aceite.

2. Retire el termómetro de la fuente de calor con cuidado y mida la temperatura cada 5 segundos hasta llegar a la temperatura ambiente.

3. Gráfica de la temperaturaen función del tiempo en escala lineal y escala logarítmica. Comparamos con el modelo de la guía para la ley de enfriamiento de newton y determinamos los parámetros de la ecuación.

6. RESULTADOS:

Calibración de sensor (termocupla)

Primero presentamos los resultados obtenidos en la primera experiencia, la calibración de sensores con la termocupla, donde se tomaron la temperatura y el voltaje de salida cada 30 segundos, durante 20 minutos,

TABLA 2: TEMPERATURA Y VOLTAJE, TOMADOS CADA 30 SEGUNDOS. T±0.01(s) T±1(⁰C) V±0.1(mV)

0.00 21 2.130.00 22 2.660.00 23 3.190.00 25 3.6

120.00 27 4.0150.00 29 4.9180.00 34 5.6210.00 40 6.1240.00 47 7.4270.00 54 8.1300.00 58 9.3330.00 62 10.2360.00 67 11.0

Calibración de sensor (diodo)

Para el diodo, se tomo el voltaje de salida para cada variación de la temperatura, los datos se muestran a continuación.

TABLA 3: VOLTAJES DE SALIDA, PARA CADA TEMPERATURA

T±1(⁰C) V±0.001(V) T±1(⁰C)

V±0.001(V) T±1(⁰C) V±0.001(V) T±1(⁰C) V±0.001(V)

22 0.611 39 0.590 52 0.571 65 0.55324 0.609 40 0.589 53 0.570 66 0.55126 0.607 41 0.587 54 0.568 67 0.55028 0.605 42 0.586 55 0.566 68 0.54830 0.602 43 0.585 56 0.565 69 0.54731 0.600 44 0.583 57 0.563 70 0.54632 0.599 45 0.581 58 0.562 71 0.54533 0.598 46 0.580 59 0.561 72 0.54334 0.597 47 0.578 60 0.560 73 0.54135 0.595 48 0.577 61 0.558 74 0.54036 0.594 49 0.576 62 0.557 75 0.53837 0.593 50 0.574 63 0.556 76 0.53738 0.592 51 0.572 64 0.555 77 0.535

Ley de enfriamiento de Newton

Para esta experiencia se elevo la temperatura del termómetro hasta 97ºC, y luego se tomo las temperaturas cada 10 segundos, para poder ver como se comporta el enfriamiento del termómetro, los datos se muestran en la siguiente tabla.

TABLA 4: TEMPERATURAS DEL TERMÓMETRO CADA 10 SEGUNDOS

t(s) T(ºC) t(s) T(ºC)0.00 97 240.00 34

10.00 94 250.00 3320.00 86 260.00 3330.00 82 270.00 3240.00 77 280.00 3150.00 73 290.00 3160.00 69 300.00 3070.00 66 310.00 3080.00 62 320.00 3090.00 59 330.00 30

100.00 56 340.00 30110.00 54 350.00 30120.00 52 360.00 29130.00 50 370.00 29140.00 49 380.00 28150.00 47 390.00 28160.00 42 400.00 28170.00 42 410.00 27180.00 41 420.00 27190.00 40 430.00 27200.00 39 440.00 27210.00 37 450.00 26220.00 36 460.00 26230.00 35 470.00 26

7. ANALISIS DE DATOS

Calibración de sensor (termocupla)

Para esta experiencia graficamos el voltaje medido en función de la temperatura, con los datos de la tabla 2, en grafico se muestra a continuación.

GRAFICA 1: VOLTAJE (mV) EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA (ºC)

De la grafica 1, obtenemos la ecuación de calibración para el sensor; donde vemos que la pendiente se puede interpretar como la sensibilidad del voltaje de salida, por cada variación de 1ºC,

V= (−1.23+0.181T )mV

Calibración de sensor (diodo)

Para el diodo también graficaremos el voltaje medido en función de la temperatura, datos tomados de la tabla 3; y la grafica se muestra a continuación.

GRAFICA 2: VOLTAJE (V) EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA (ºC)

De la grafica 2, obtenemos la ecuación de calibración para el sensor (diodo) esta ecuación es;

V= (0.6471−0.00139T )V

De esta ecuación se puede ver que la temperatura y el voltaje medido en el diodo, son inversamente proporcionales, asi también podemos advertir que el comportamiento del voltaje con respecto a la temperatura es lineal, y podríamos interpretar la pendiente como la sensibilidad con la que responde el voltaje para cada variación de la temperatura en 1ºC.

Ley De Enfriamiento

Para la experiencia del enfriamiento de Newton, se grafico la temperatua en función del tiempo, a continuación se muestra el grafico.

GRAFICA 3: TEMPERATURA (ºC) EN FUNCIÓN DEL TIEMPO (S)

El comportamiento de la curva, es exponencial tal y como se esperaba, de acuerdo con la ecuación numero 2 de la parte teorica, la temperatura tiene a alcanzar la temperatura de ambiente, y como se ve, la caída de temperatura es mas pronunciada en los primeros segundos, mientras que cuando se trata de tiempo avanzados la temperatura tiende a llegar a la temperatura ambiente 26ºC.

8. DISCUSION Y CONCLUSIONES

Mediante la experiencia realizada conocimos el proceso de calibración de dos sensores de temperatura que son:

La termocupla que su ecuación de calibración es V= (−1.23+0.181T )mV Del diodo que su ecuación de calibración es V= (0.6471−0.00139T )V

También observamos y medimos el enfriamiento de un termómetro y explicamos su comportamiento mediante la ley de enfriamiento de Newton con ayuda de la gráfica de la temperatura en función del tiempo.