CALIBRACIN DE SENSORES1. RESUMENEn sta experiencia conocimos el proceso de calibracin de dos sensores de temperatura, observamos y medimos el enfriamiento de un termmetro y explicamos su comportamiento mediante la ley de enfriamiento de Newton. El mtodo que utilizamos para la primera parte es: Colocar el termmetro 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 termmetro de Hg. No mida ms halla de 90co para evitar el excesivo vapor de aceite. La unin fra de la termocupla debe estar en contacto con un bao de agua y hielo a cero grados celcios como se muestra en el esquema de la figura. utilice el otro termmetro 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 termmetro patrn. Verifique en todo momento que la unin fra de la termocupla este a 0co. Graficamos el voltaje de salida de la termocupla en funcin de la temperatura. Realizamos un ajuste de curvas adecuado para sus datos y presentamos la ecuacin de calibracin 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 conexin 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 voltmetro en funcin de la temperatura medida con el termmetro de mercurio patrn.

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 innovacin, a la hora de disponer de sensores que les ayuden a controlar, y son los sensores elctricos los mas usuales en la medicin de temperatura. Cada sensor tiene unas cualidades especiales que los convierten en ms convenientes para un determinado proceso u objetivo, y tambin es importante conocer el comportamiento de la temperatura; es por ese motivo que los objetivos de la presente prctica son:

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

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

3. TEORIAA menudo la temperatura se define como aquella propiedad que miden los termmetros. Tambin se introduce la temperatura basndose en alguna propiedad termomtrica, por ejemplo la expansin de un lquido, un gas, la resistencia de un conductor, la tensin elctrica generada por un par termoelctrico (termocupla), etc. En la prctica existen numerosos tipos de sensores de temperatura o termmetros que, segn la aplicacin especifica, pueden ser los ms adecuados. En la tabla siguiente se indican algunos tipos de termmetros y sensores de temperatura usuales junto a algunas de sus caractersticas ms notables.

TABLA 1: MEDIDORES DE TEMPERATURA MS USADOS

Termocupla: es untransductorformado por la unin de dosmetalesdistintos que produce unvoltaje(efecto Seebeck), que es funcin de ladiferencia detemperaturaentre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unin caliente o de medida y el otro denominado "punto fro" o unin fra o de referencia.EnInstrumentacin industrial, los termopares son ampliamente usados comosensoresde temperatura. Son econmicos, intercambiables, tienen conectores estndar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitacin es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a ungrado Celsiusson difciles de obtener.El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre determopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones decalefaccinagas.

FIGURA 1: DIAGRAMA DE UNA TERMOCUPLA

Ley de Enfriamiento de NewtonLey de enfriamiento de Newton: La siguiente expresin que se conocecomo ley de enfriamiento de Newton, describe en algunos casos el enfriamiento de un cuerpo hasta una temperatura final :

K es una constante. La solucin general de esta ecuacin diferencial del primer orden es:

Donde A y B son constantes. El parmetro se mide en unidades de tiempo y representa el tiempo caracterstico del enfriamiento.

4. PARTE EXPERIMENTAL:Materiales y equipos: Un equipo de calibracin de sensores de temperatura. Un amplificador logartmico PM 5171. Un vaso prex de 400 cc. Un termmetro de mercurio hasta 150co. Dos dados. Una mordaza (pinza) pequea. Una base en V pequea. Un termmetro digital. Seis pinzas cocodrilos Un cronometro Dos multmetros Una fuente de 0-10V cc Una fuente DIN 5V Una resistencia de 2k 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:

Calibracin de sensores con termocupla

1. Instale el equipo como se muestra en la figura . junto con el profesor verifique la conexin elctrica del circuito de alimentacin de la resistencia de calefaccin. La resistencia de calefaccin 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 rpido, modifique la corriente para aumentar o disminuir la tasa de calentamiento del bao de aceite. El aceite se coloca en ambos orificios en una cantidad suficiente para que el contacto trmico sea adecuado.

2. Coloque el termmetro 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 termmetro de Hg. No mida ms halla de 90co para evitar el excesivo vapor de aceite. La unin fra de la termocupla debe estar en contacto con un bao de agua y hielo a cero grados celcios como se muestra en el esquema de la figura. utilice el otro termmetro para verificar esto.3. El amplificador logartmico 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 voltmetro mediante el adaptador BNC- conector macho. Verifique que este seleccionada la opcin de medida DC del amplificador. La salida del amplificador no debe exceder los 10 V ya que de suceder esto significara que este est saturado y debe cambiar a una escala de menor amplificacin.

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

5. Al mismo tiempo que el voltaje anote la temperatura indicada por el termmetro patrn. Verifique en todo momento que la unin fra de la termocupla este a 0C.

6. Graficamos el voltaje de salida de la termocupla en funcin de la temperatura. Realizamos un ajuste de curvas adecuado para sus datos y presente la ecuacin de calibracin de la termocupla. Analice el grado de confiabilidad del ajuste realizado (grado de correlacin).

Calibracin con el diodo1. 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 conexin 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 voltmetro en funcin de la temperatura medida con el termmetro de mercurio patrn. Grafique el voltaje sobre el diodo en funcin de la temperatura. Obtenga una curva de calibracin para este sensor. Ley de enfriamiento1. Caliente el termo metro de mercurio hasta unos 110coaproximadamente con el cilindro. No es necesario colocar aceite.

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

3. Grfica de la temperaturaen funcin del tiempo en escala lineal y escala logartmica. Comparamos con el modelo de la gua para la ley de enfriamiento de newton y determinamos los parmetros de la ecuacin.

6. RESULTADOS:Calibracin de sensor (termocupla)Primero presentamos los resultados obtenidos en la primera experiencia, la calibracin 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.T0.01(s)T1(C)V0.1(mV)

0.00212.1

30.00222.6

60.00233.1

90.00253.6

120.00274.0

150.00294.9

180.00345.6

210.00406.1

240.00477.4

270.00548.1

300.00589.3

330.006210.2

360.006711.0

Calibracin de sensor (diodo)Para el diodo, se tomo el voltaje de salida para cada variacin de la temperatura, los datos se muestran a continuacin.TABLA 3: VOLTAJES DE SALIDA, PARA CADA TEMPERATURAT1(C)V0.001(V)T1(C)V0.001(V)T1(C)V0.001(V)T1(C)V0.001(V)

220.611390.590520.571650.553

240.609400.589530.570660.551

260.607410.587540.568670.550

280.605420.586550.566680.548

300.602430.585560.565690.547

310.600440.583570.563700.546

320.599450.581580.562710.545

330.598460.580590.561720.543

340.597470.578600.560730.541

350.595480.577610.558740.540

360.594490.576620.557750.538

370.593500.574630.556760.537

380.592510.572640.555770.535

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

TABLA 4: TEMPERATURAS DEL TERMMETRO CADA 10 SEGUNDOSt(s)T(C)t(s)T(C)

0.0097240.0034

10.0094250.0033

20.0086260.0033

30.0082270.0032

40.0077280.0031

50.0073290.0031

60.0069300.0030

70.0066310.0030

80.0062320.0030

90.0059330.0030

100.0056340.0030

110.0054350.0030

120.0052360.0029

130.0050370.0029

140.0049380.0028

150.0047390.0028

160.0042400.0028

170.0042410.0027

180.0041420.0027

190.0040430.0027

200.0039440.0027

210.0037450.0026

220.0036460.0026

230.0035470.0026

7. ANALISIS DE DATOS

Calibracin de sensor (termocupla)Para esta experiencia graficamos el voltaje medido en funcin de la temperatura, con los datos de la tabla 2, en grafico se muestra a continuacin.

GRAFICA 1: VOLTAJE (mV) EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA (C)

De la grafica 1, obtenemos la ecuacin de calibracin para el sensor; donde vemos que la pendiente se puede interpretar como la sensibilidad del voltaje de salida, por cada variacin de 1C,

Calibracin de sensor (diodo)Para el diodo tambin graficaremos el voltaje medido en funcin de la temperatura, datos tomados de la tabla 3; y la grafica se muestra a continuacin.GRAFICA 2: VOLTAJE (V) EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA (C)

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

De esta ecuacin se puede ver que la temperatura y el voltaje medido en el diodo, son inversamente proporcionales, asi tambin podemos advertir que el comportamiento del voltaje con respecto a la temperatura es lineal, y podramos interpretar la pendiente como la sensibilidad con la que responde el voltaje para cada variacin de la temperatura en 1C.

Ley De EnfriamientoPara la experiencia del enfriamiento de Newton, se grafico la temperatua en funcin del tiempo, a continuacin se muestra el grafico.GRAFICA 3: TEMPERATURA (C) EN FUNCIN DEL TIEMPO (S)

El comportamiento de la curva, es exponencial tal y como se esperaba, de acuerdo con la ecuacin numero 2 de la parte teorica, la temperatura tiene a alcanzar la temperatura de ambiente, y como se ve, la cada 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 26C.

8. DISCUSION Y CONCLUSIONESMediante la experiencia realizada conocimos el proceso de calibracin de dos sensores de temperatura que son: La termocupla que su ecuacin de calibracin es Del diodo que su ecuacin de calibracin es

Tambin observamos y medimos el enfriamiento de un termmetro y explicamos su comportamiento mediante la ley de enfriamiento de Newton con ayuda de la grfica de la temperatura en funcin del tiempo.