Resumen El fin de este escrito es la comparación entre un termómetro digital y uno análogo, para ello se definirá el concepto de temperatura y su importancia como magnitud física,




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fecha de publicación05.12.2015
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Trabajo de Meteorología:

Temperatura y métodos de calibración de termómetros
G. Aponte, J. Garzón, E. Neira y M. Ramos

Grupo12

Facultad de Ciencias, Fundamentos de Electricidad y Magnetismo.

Universidad Nacional de Colombia, Bogotá
Resumen

El fin de este escrito es la comparación entre un termómetro digital y uno análogo, para ello se definirá el concepto de temperatura y su importancia como magnitud física, para poder deducir de ahí métodos de calibración de termómetros que nos permitan realizar la comparación de los instrumentos mencionados inicialmente.


Temperatura:

Esta es una magnitud relacionada al a energía cinética que posean átomos y moléculas que compartan un cuerpo, siendo una magnitud escalar propia de un sistema termodinámico, esto convierte a la temperatura en una cuantificación de la actividad de la materia dentro de un cuerpo.

Existe una gran importancia de cuantificar, con cierto grado de precisión, aquella idea intuitiva de lo caliente o frio. La importancia radica en que una cantidad apreciable propiedades de la materia está en función de la temperatura como el rendimiento en las reacciones químicas, el estado en que se puedan ver los materiales, el espacio que ocupan, la presión, la radiación o la conductividad térmica.

Es posible usar la ley cero de la termodinámica para definir cierto comportamiento en la temperatura y definir un principio de funcionamiento para un instrumento que la mida. La ley termo dinámica dice que si dos partes de un sistema entran en contacto térmico es probable que ocurran cambios en las propiedades de ambas. Estos cambios se deben a la transferencia de calor entre las partes. Para que un sistema esté en equilibrio térmico debe llegar al punto en que ya no hay intercambio neto de calor entre sus partes. Lo último es en suma el principio que se usa para el termómetro, con ello se dice que cuando el termómetro esta en equilibrio térmico con el cuerpo en cuestión se puede realizar la medición de su temperatura pues estos comparte el mismo valor de la misma.

Este instrumento conserva una historia llena de numerosos intentos de crear escalas de medición y de implementar métodos efectivos de medición, no trataremos esto con profundidad pues no existe la necesidad de hacerlo. Aunque hay cosas importantes sobre la unidades que se tienen que exponer.

Unidades de temperatura

Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medición, no tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo: el cero absoluto que en virtud de lo dicho anteriormente es cuando la energía cinética de las partículas de un cuerpo es cero. Las siguientes son algunas de las escalas definidas:

Para establecer una base de medida de la temperatura Anders Celsius utilizó (en 1742) los puntos de fusión y ebullición del agua. Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm está en el punto de fusión. Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presión se considera que está en el punto de ebullición. Celsius dividió el intervalo de temperatura que existe entre éstos dos puntos en 100 partes iguales a las que llamó grados centígrados °C. Sin embargo, en 1948 fueron renombrados grados Celsius en su honor; así mismo se comenzó a utilizar la letra mayúscula para denominarlos.

En 1954 la escala Celsius fue redefinida en la Décima Conferencia de Pesos y Medidas en términos de un sólo punto fijo y de la temperatura absoluta del cero absoluto. El punto escogido fue el punto triple del agua que es el estado en el que las tres fases del agua coexisten en equilibrio, al cual se le asignó un valor de 0,01 °C. La magnitud del nuevo grado Celsius se define a partir del cero absoluto como la fracción 1/273,16 del intervalo de temperatura entre el punto triple del agua y el cero absoluto. Como en la nueva escala los puntos de fusión y ebullición del agua son 0,00 °C y 100,00 °C respectivamente, resulta idéntica a la escala de la definición anterior, con la ventaja de tener una definición termodinámica.

Grado Fahrenheit (°F)

Toma divisiones entre el punto de congelación de una disolución de cloruro amónico (a la que le asigna valor cero) y la temperatura normal corporal humana (a la que le asigna valor 100). Es una unidad típicamente usada en los Estados Unidos; erróneamente, se asocia también a otros países anglosajones como el Reino Unido o Irlanda, que usan la escala Celsius.

Grado Réaumur (°Ré, °Re, °R)

Es usado para procesos industriales específicos, como el del almíbar.

Kelvin (K)

El Kelvin es la unidad de medida del SI. La escala Kelvin absoluta es parte del cero absoluto y define la magnitud de sus unidades, de tal forma que el punto triple del agua es exactamente a 273,16 K.

La conversión entre estas unidades es sencilla pues se pueden establecer relaciones lineales entre cada ellas expresadas en las siguientes ecuaciones:

Ver Anexo # 1.

Calibración de termómetros
La temperatura es una de las magnitudes físicas más importantes, pues la realización de gran número de procesos académicos, industriales y cotidianos, depende de esta. Pero a su vez podemos pensar que su significado no es ampliamente entendido ya que al parecer está definida bajo una serie de condiciones teóricas, mientras que los demás parámetros si tienen materialización inmediata.
Aunque para la medición de temperatura, se dejan como supuestos sistemas termodinámicos perfectos y para estos se establecen una escala que los represente como la escala Kelvin (K), conteniendo esta en valor cero de temperatura definido de forma teórica. Se pueden obtener valores cerca de lo ideal utilizando como referencia la Escala de Temperatura de 1990 (ITS-90) que permite el usa de la escala Celsius de manera al terna por su similitud a la Kelvin.
Por lo tanto si un termómetro es calibrado, convendría serlo con base a la ITS90 la cual posee valores en grados Celsius con aprobación internacional, referenciados a fenómenos físicos reproducibles que siempre ocurren a la misma temperatura, como el punto de solidificación de un metal puro.
La forma más sencilla y confiable de calibrar termómetros es utilizando los puntos fijos de la tabla siguiente, sin embargo debe tenerse cuidado para tener una verdadera trazabilidad, ya que se tiene una limitante en cuanto al rango en que se encuentra la tabla.
Ver anexo # 2
Para calibrar un termómetro de trabajo en un punto lejos del punto fijo, se debe utilizar el SPRT y luego el termómetro de trabajo para comparar ambas medidas. Para esto, se necesita poner ambos termómetros en el mismo volumen isotérmico suficientemente grande para garantizar que ambos termómetros están a la misma temperatura que el volumen que los contiene.
A partir de los métodos definidos para la escala ITS-90, se establecen los dos métodos para calibrar termómetros: el de puntos fijos y el método de comparación.

Para calibrar usando puntos fijos, es posible usar unos instrumentos llamados celdas de puntos fijos que poseen gran confiabilidad dentro de las calibraciones industriales, este tipo de celdas existe una gran variedad que contienen sustancias de alta pureza como celdas primarias de cuarzo-vidrio, Celdas de Agua y Celdas Delgadas de Metal con pureza igual a 99.99995%, de aceptación internacional disponibles en Indio, Estaño y aluminio, con incertidumbres de hasta 0.07m.

Estas celdas darían la mayor versatilidad para llevar a cabo las calibraciones. La empresa vería reducido a un mínimo las necesidades de enviar equipo a re-calibrar fuera de sus instalaciones economizando en costos y daños de transporte.
Comparación
El método de calibración por comparación es el más utilizado. Implica comparar un termómetro inferior con otro superior. Pueden ser del mismo tipo, pero el superior debe estar calibrado a mayor precisión. La comparación puede ser hecha en un baño líquido donde el volumen sea suficiente para garantizar la misma temperatura en todo el volumen. Este volumen isotérmico debe ser suficiente para contener los dos termómetros y que ambos estén a la temperatura del baño.
Inmersión
La profundidad de inmersión del termómetro para que logre la temperatura del baño depende de la construcción del termómetro, de la diferencia de temperatura entre el baño y el medio ambiente, de la capacidad de transferencia de calor del baño y de la estabilidad de la temperatura en el baño. Una regla de oro para la profundidad de inmersión es: de 10 a 15 veces el diámetro del termómetro mas la longitud del sensor.

Esta longitud podría aumentarse para altas o bajas temperaturas de calibración y cuando el diámetro del termómetro es significativamente más pequeño que el diámetro interno del pozo donde está inmerso.

Una prueba simple para determinar si la profundidad de inmersión es correcta o no, consiste en sacar el termómetro unos 2 cm y observar si las lecturas cambian. Si se continúa sacando el termómetro, se puede confirmar la mínima profundidad de inmersión de ese termómetro.
Calibraciones trazables
En calibración, una medición trazable es aquella en que desde el comienzo y hasta el fin de la calibración, esta puede ser identificable con valores patrón.

No existen periodos de tiempo asociados con la trazabilidad. De aquí que una cadena de trazabilidad muy larga puede tener varios años entre el comienzo y el fin de la misma.

Tener una ruta trazable no garantiza buenas mediciones. Las buenas mediciones pasan por el personal de laboratorio, equipo, medio ambiente y procedimientos.

En el Reino Unido hay un órgano independiente (NAMAS ) que monitorea el trabajo de sus Laboratorios Acreditados para asegurarse que la calibración final es sensiblemente trazable a reconocidos estándares nacionales.

El término “reconocidos estándares nacionales” significa que los estándares primarios de otro país se pueden utilizar en cuanto exista un acuerdo de cooperación entre esos países.
Sensores de temperatura

Los sensores en generales son dispositivos capaces de detectar magnitudes físicas como temperatura y humedad. Para poder conocer lo que los sensores leen, estos transforman las magnitudes medidas en señales eléctricas, que después de ejecutarla muestran los resultados obtenidos de la medición.

Ahora bien, para este caso particular se usaron dos sensores, el LM35 y el Dallas DS18S20. A continuación se muestra una descripción de cada uno:

  • LM35

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC. Puede medir temperaturas en el rango que abarca desde -55º a + 150ºC. La salida es muy lineal y cada grado centígrado equivale a 10 mV en la salida.

Sus características más relevantes son:

  • Precisión de ~1,5ºC (peor caso), 0.5ºC garantizados a 25ºC.

  • No linealidad de ~0,5ºC (peor caso).

  • Baja corriente de alimentación (60uA).

  • Amplio rango de funcionamiento (desde -55º a + 150ºC).

  • Bajo costo.

  • Baja impedancia de salida.

Su tensión de salida es proporcional a la temperatura, en la escala Celsius. No necesita calibración externa y es de bajo costo. Funciona en el rango de alimentación comprendido entre 4 y 30 voltios.

Como ventaja adicional, el LM35 no requiere de circuitos adicionales para su calibración externa cuando se desea obtener una precisión del orden de ±0.25 ºC a temperatura ambiente, y ±0.75 ºC en un rango de temperatura desde 55 a 150 ºC.

La baja impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración inherente hace posible una fácil instalación en un circuito de control.

Debido a su baja corriente de alimentación (60uA), se produce un efecto de autocalentamiento reducido, menos de 0.1 ºC en situación de aire estacionario.

El sensor se presenta en diferentes encapsulados pero el más común es el to-92 de igual forma que un típico transistor con 3 patas, dos de ellas para alimentarlo y la tercera nos entrega un valor de tensión proporcional a la temperatura medida por el dispositivo. Con el LM35 sobre la mesa las patillas hacia nosotros y las letras del encapsulado hacia arriba tenemos que de izquierda a derecha los pines son: VCC - Vout - GND.

La salida es lineal y equivale a 10mV/ºC por lo tanto:

+1500mV = 150ºC

+250mV = 25ºC

-550mV = -55ºC

Funcionamiento: Para hacer un termómetro lo único que se necesita es un voltímetro bien calibrado y en la escala correcta para que nos muestre el voltaje equivalente a temperatura. El LM35 funciona en el rango de alimentación comprendido entre 4 y 30 voltios.

Puede conectarse a un conversor Analógico/Digital y tratar la medida digitalmente, almacenarla o procesarla con un µControlador o similar.

El LM35 puede ser aplicado fácilmente de la misma manera que otros sensores de temperatura integrados al circuito. Puede ser pegado o cementado a una superficie y su temperatura estará dentro de aproximadamente 0.01˚C de la superficie de la misma.

Esto supone que la temperatura del aire del ambiente es casi la misma que la de la superficie; si la temperatura del aire fuera más alta o baja que la de la superficie, la temperatura del LM35 sería una temperatura intermedia entre la temperatura de la superficie y la del aire. Esto es especialmente cierto para el empaque plástico TO-92, donde los conductores de cobre son el principal camino térmico para transportar calor hacia el dispositivo, de manera que su temperatura esté más cerca de la del aire que la de la superficie.

Para minimizar este problema, hay que asegurarse de que la conexión al LM35 es mantenida a la misma temperatura que la superficie de interés. La forma más fácil de hacerlo es cubrir estos cables con una gota de resina epoxy que se asegurará de que los conductores y cables estén a la misma temperatura que la superficie, y que la temperatura del LM35 no será afectada por la del aire.

El empaque de metal TO-46 puede ser soldado a una superficie de metal o tubería sin dañarse. Por supuesto, en ese caso la terminal-V del circuito estará conectada a tierra hacia ese metal.

El LM35 puede ser montado dentro de un tubo de metal con sellado final, y puede ser sumergido en un baño o atornillado a un agujero roscado en un tanque. Como con cualquier IC, el LM35, su cableado acompañante y sus circuitos deben permanecer aislados y secos, para evitar fugas y corrosión. Esto es importante si el circuito debe operar a temperaturas frías donde puede ocurrir condensación. Revestimientos impresos en el circuito y barnices como Humiseal y pinturas o gotas de resina epoxy son usadas frecuentemente para asegurarse de que la humedad no pueda corroer el LM35 o sus conexiones.

Estos dispositivos son a veces soldados a una aleta de calor pequeña ligera, para disminuir la constante de tiempo térmico y acelerar la respuesta en aire con movimiento lento. Una pequeña masa térmica puede ser añadida al sensor, para dar una lectura más estable a pesar de pequeñas desviaciones en la temperatura del aire.

Usos: El sensor de temperatura puede usarse para compensar un dispositivo de medida sensible a la temperatura ambiente, refrigerar partes delicadas del robot o bien para loggear temperaturas en el transcurso de un trayecto de exploración.

  • Dallas DS18S20

El termómetro digital DS18S20 provee medidas de temperatura centígradas en 9-bits y tiene una función de alarma con puntos gatillo programable por el usuario. El DS18S20 se comunica por un puerto bus de un cable que por definición solo requiere un cable de datos para comunicación con un microprocesador central. Opera en temperaturas en un rango de -55°C to +125°C y tiene una precisión de 0.5°C en un rango de –10°C to +85°C. Además puede obtener energía del cable de datos (“energía parásita”) eliminando la necesidad de una fuente de energía externa.

Cada DS18S20 tiene un código serial único de 64-bits, que permite que múltiples DS18S20s funcionen en el mismo bus de 1 cable; así, es simple usar un microprocesador para controlar muchos DS18S20s distribuidos sobre un área grande. Aplicaciones que pueden beneficiarse de esta característica incluyen controles ambientales HVAC, sistemas de monitoreo de la temperatura dentro de edificios, equipo o maquinaria, y monitoreo de procesos y sistemas de control.

La ROM de 64-bits almacena el código serial del dispositivo. La memoria del bloc de notas contiene el registro de temperatura de 2-bytes que almacena el resultado digital del sensor de temperatura. En adición, el bloc de notas provee acceso a los registros de alarma superior e inferior de 1-byte (TH and TL). El registro TH y el TL son no volátiles (EEPROM), así que serán retenidos cuando el sensor sea apagado.

El DS18S20 usa el protocolo de bus de 1 cable exclusivo de Dallas que implementa la comunicación usando una señal de control. La línea de control requiere una resistencia débil ya que todos los dispositivos están conectados al bus por medio de un puerto de 3 estados o de drenaje abierto. (El pin DQ en el caso del DS18S20). En este sistema de bus, el microprocesador identifica y se dirige a dispositivos en el bus usando el código de 64 bits único de cada dispositivo. Como cada uno tiene un código único, el número de dispositivos que pueden ser dirigidos en un bus es virtualmente ilimitado.

Otra característica del DS18S20 es la habilidad de operar sin una fuente de poder externa. La energía es suministrada a través de la resistencia del bus de 1 cable por medio del pin DQ cuando la señal del bus está alta. La señal del bus alta también carga un capacitor interno (CPP), el cual suministra energía al dispositivo cuando la señal del bus está baja. Este método de derivar energía del bus de un cable es conocido como “energía parasitaria”. Como alternativa, el DS18S20 también puede usar energía de una fuente externa en VDD.

Ensayo

El ensayo consistió en medir la temperatura con los dos sensores mencionados durante un tiempo de 20 minutos, en el cual se garantizo que esta magnitud fuera constante; cabe mencionar que la temperatura de referencia fue de 19.5 °C.

De las mediciones hechas se obtuvieron las siguientes gráficas y tablas:

  • Gráficas:



  • Tablas:

Ver anexo # 3

A simple vista se puede ver que los resultados obtenidos eran los esperados, el sensor Dallas al ser un sensor digital y de mayor precisión, marco la temperatura que había en el lugar y lo hizo durante todo el tiempo que duro el ensayo, es decir que este fue preciso y exacto. Por otra parte, el sensor ML35 presenta temperaturas muy variables a lo largo del ensayo, y durante este nunca marco la temperatura correcta, lo cual muestre que este es poco preciso y exacto.

De igual forma, al observar los valores estadísticos se puede ver que lo dicho en el párrafo anterior es totalmente cierto. La media del sensor Dallas fue de 19,5 °C, con una desviación estándar de 0, es decir que ninguna medición se alejó de la media, o mejor aun, todos los datos fueron iguales a esta; es decir todos fueron de igual magnitud. En cuanto al sensor ML35, se pude ver que este, en su valor máximo, estuve un grado por debajo del valor de la temperatura, además, sus mediciones variaron en un rango de 0.5 °C y presentaron una desviación estándar de 0.2°C, lo cual también muestra la poca exactitud y precisión.

Se podría calibrar el sensor ML35 con el sensor Dallas, ya que este último tiene una calibración mejor, lo cual se ve reflejado en su precisión y exactitud. Para ello se podría usar el método de la comparación explicado anteriormente,

Conclusiones

Si bien se sabía desde un comienzo que la metrología es de suma importancia para un gran número de profesiones, este trabajo, enfocándose a la temperatura, permitió explicar como se calibran los equipos, que unidades de medición se manejan y como funcionan algunas de los sensores mas comunes.

Además, se pudo ver como los sensores, que deberían marcar la misma temperatura, presentan una diferencia de mas de un grado Centígrado, lo cual muestra una vez más lo importante que es la metrología, ya que si se tomara el sensor ML35 y se tomaran datos con este, tanto los datos como las conclusiones obtenidas a partir de este no tendría ninguna validez, ya que el equipo no esta calibrado y por tanto arrojaría datos poco confiables.

Bibliografía

  • 2010. Ds 18S20 High-Precision 1-Wire Digital Thermometer. 20 de Mayo de 2012 .

  • Dave Ayres, Anne Blundell. «Isotech China.» 2011. Calibración Termometros. 18 de Mayo de 2012 .

  • Instrument, Texas. 2011. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors. 20 de Mayo de 2012 .

  • Universidad Nacional De Colombia, Sede Medellin. ¿Como se mide la temperatura? 2010. 23 de Mayo de 2012 .

  • X-Robotics. 2012. 21 de Mayo de 2012 .






Anexo # 1




Kelvin

Grados Celsius

Grados Fahrenheit

Grado Réaumur

Kelvin









Grados Celsius









Grados Fahrenheit









Grado Réaumur









Tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

Anexo # 2

PUNTO FIJO

CARACTERÍSTICA

FÍSICA


TEMPERATURA

° C


TERMÓMETRO

INTERPOLACION


Argón

Triple punto

-189,3442

SPRT

Mercurio

Triple punto

-38,8344

SPRT

Agua

Triple punto

0.010

SPRT

Galio

Punto de fusión

29,7646

SPRT

Indio

Punto solidificación

156,5985

SPRT

Estaño

Punto solidificación

231,928

SPRT

Zinc

Punto solidificación

419,527

SPRT

Aluminio

Punto solidificación

660,323

SPRT

Plata

Punto solidificación

961,78

SPRT

Oro

Punto solidificación

1064,18

RT

  • SPRT: Termómetro estándar de resistencia de platino

  • RT: Termómetro de radiación

  • Triple punto: Estados sólido, líquido y gaseoso en equilibrio.


Anexo # 3

 

Máximo (°C)

Mínimo (°C)

Moda (°C)

Media (°C)

Desviación Estándar (°C)

Sensor LM35

18.54

18.06

18.06

18.252

0.235151015

Sensor Dallas DS18S20

19.5

19.5

19.5

19.5

0

Diferencia

1.44

0.96

1.44

1.248

0.235151015



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