Informe Nº 2

INTRODUCCIÓN.

La medición de magnitudes mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas se realiza empleando dispositivos denominados sensores y transductores. El sensor es sensible a los cambios de la magnitud a medir, como una temperatura, una posición o una concentración química. El transductor convierte estas mediciones en señales eléctricas, que pueden alimentar a instrumentos de lectura, registro o control de las magnitudes medidas.

Algunos dispositivos actúan de forma simultánea como sensor y transductor.

La termorresistencia, el termistor y la termocupla tienen características especiales que vienen dados por su construcción.

En la práctica se observó claramente cada una de sus características, teniendo en cuenta además, el error arrojado con respecto al valor real y a su valor teórico.

En este informe se presenta como la señal generada por un sensor depende de la variable medida y su característica depende de la relación entrada-salida que se determine, en esta práctica usaremos un sensor que genera un voltaje según varíe la temperatura.

Se comparará la temperatura patrón la cual es obtenida de un termómetro (multimetro) y a través de ellas se obtendrán los errores del sistema (error de ganancia, de cero y no linealidad)

OBJETIVOS.

· Caracterizar sensores resistivos.

· Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad.

MARCO TEORICO.

Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible que es función de la variable medida. Un sensor es un transductor de entrada (Un transductor es un dispositivo capaz de convertir o transformar una señal de una forma física, en otra forma física diferente).

Existen diversas formas de clasificar un sensor, ya sea según el aporte de energía, según la señal de salida o el modo de operación (estas formas de clasificar a los sensores se presentan resumidas en la tabla nº 1), pero desde el punto de vista de la ingeniería electrónica es más atractiva la clasificación de los sensores de acuerdo con el parámetro variable: resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente.

Criterio	Clases	Ejemplo
Aporte de energía	Moduladores Generadores	Termistor Termopar
Señal de salida	Analógicos Digitales	Potenciómetro
Modo de operación	De deflexión De comparación	Servo acelerómetro

Tabla 1. Clasificación de los sensores

Es importante destacar que en el uso de sensores siempre existirá la presencia de errores, ya sea debido al sensor como tal o la persona o equipo que toma la señal del sensor y la transforma a un medio visual. Los tipos de errores son: sistemáticos, aleatorios y otros específicos que los cuales se refieren a características de los sensores como los de linealidad, de cero, de ganancia.

En esta práctica de laboratorio emplearemos un termopar tipo K, modelo 219-4315.

Un termopar es un circuito formado por dos metales distintos que produce un voltaje que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" y el otro denominado "punto frio".
En electrónica, 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 centígrado 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.

Funcionamiento:

En 1822 el físico estonio Thomas Seebeck descubrió accidentalmente que la unión entre dos metales genera un voltaje que es función de la temperatura. Los termopares funcionan bajo este principio, el llamado efecto Seebeck. Si bien casi cualquier par de metales pueden ser usados para crear un termopar, se usa un cierto número debido a que producen voltajes predecibles y amplios gradientes de temperatura.
El diagrama inferior muestra un termopar del tipo K, que es el más popular:

En el diagrama de arriba, este termopar de tipo K producirá 12,2mV a 300ºC. Desafortunadamente no es posible conectar un voltímetro al termopar para medir este voltaje porque la conexión a las guías del voltímetro hará una segunda unión no deseada. Para realizar mediciones precisas se debe compensar al usar una técnica conocida como compensación de unión fría (CUF).
La ley de los metales intermedios dice que un tercer metal introducido entre dos metales distintos de una unión de termopar no tendrá efecto siempre y cuando las dos uniones estén a la misma temperatura. Esta ley es importante en la construcción de uniones de termopares. Es posible hacer una unión termopar al estañar dos metales, ya que la estañadura no afectará la sensibilidad. En la práctica, las uniones termopares se realizan con soldaduras de los dos metales (por lo general con una carga capacitiva) ya que esto asegura que el desempeño no esté limitado al punto de fusión de una estañadura.

Por lo general, la temperatura de la unión fría es detectada por un termistor de precisión en buen contacto con los conectores de salida del instrumento de medición. Esta segunda lectura de temperatura, junto con la lectura del termopar es usada por el instrumento de medición para calcular la temperatura verdadera en el extremo del termopar. Para aplicaciones menos críticas, la CUF es usada por un sensor de temperatura semiconductor. Al combinar la señal de este semiconductor con la señal del termopar, la lectura correcta puede ser obtenida sin la necesidad o esfuerzo de registrar dos temperaturas. La comprensión de la compensación de unión fría es importante; cualquier error en la medición de la temperatura de la unión fría terminará en el error de la temperatura medida en el extremo del termopar.

El circuito o las conexiones realizadas para logra obtener los datos es el siguiente:

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Con la maqueta que posee los embases (uno con el bombillo de intensidad de luz variable y el otro con hielo), se procedió a ingresar en los mismos el sensor de temperatura (termopar tipo K) en conjunto con un termómetro digital el cual tomamos como temperatura patrón, para realizar una serie de mediciones. Debido a que los valores de voltaje del termopar varían de acuerdo a la temperatura a las que es sometido fue necesaria la implementación de un mitímetro digital para obtener dichos valores, y así registrar los resultados en una tabla.

Luego se procedió a realizar una serie de cálculos para determinar la desviación estándar, valores medios y una serie de errores a modo de finalizar el laboratorio.

MEDIDAS OBTENIDAS:

Subiendo:

Porcentaje de temperatura	Temperatura patrón (ºC)	Salida experimental del sensor (mV)	Temperatura calculada usando la salida experimental del sensor (ºC)
0%	4	1	25
	3	0,9	22,5
	3	0,9	22,5
	3	0,8	20
	2	0,9	22,5
25%	25	0,2	5
	25	0,1	2.5
	25	0,1	2,5
	25	0,1	2,5
	25	0,1	2,5
50%	51	1,4	35
	51	1,5	37,5
	52	1,1	27,5
	54	1	25
	51	1,7	42,5
75%	75	1,6	40
	76	2,0	50
	75	2,5	62,5
	75	2,3	57,5
	75	2,9	72,5
100%	100	4,2	105
	100	3,2	80
	102	2,9	72,5
	100	2,6	65
	101	2,8	70

Bajando:

Porcentaje de temperatura	Temperatura patrón (ºC)	Salida experimental del sensor (mV)	Temperatura calculada usando la salida experimental del sensor (ºC)
100%	100	4,9	122,5
	100	4,7	117,5
	100	3,6	90
	101	3,3	82,5
	103	3,4	85
75%	74	1,3	32,5
	75	1,9	47,5
	75	1,3	32,5
	75	1,9	47,5
	75	1,9	47,5
50%	50	0,7	17,5
	50	0,6	15
	50	0,7	17,5
	50	0,5	12,5
	50	0,6	15
25%	25	0,1	2,5
	26	0,1	2,5
	25	0,1	2,5
	26	0,1	2,5
	26	0,1	2,5
0%	2	1,1	27,5
	2	1,0	25
	2	1,0	25
	2	1,1	27,5
	2	1,0	25

Promedio de las medidas y temperatura calculada mediante factor de conversión con el voltaje arrojado por la termocupla:

Subiendo:

Porcentaje de temperatura	Temperatura patrón (ºC)	Salida experimental del sensor (mV)	Temperatura calculada usando la salida experimental del sensor (ºC)
0%	3	0,9	22,5
25%	25	0,12	3
50%	51,8	1,34	33,5
75%	75,2	2,26	56,5
100%	100,6	3,14	78,5

Bajando:

Porcentaje de temperatura	Temperatura patrón (ºC)	Salida experimental del sensor (mV)	Temperatura calculada usando la salida experimental del sensor (ºC)
100%	100,8	3,98	99,5
75%	74,8	1,66	41,5
50%	50	0,62	15,5
25%	25,6	0,1	2,5
0%	2	1,04	26

CÁLCULO DE ERRORES:

Subiendo:

Porcentaje de temperatura	Desviación estándar
0%	2,74
25%	1,34
50%	14,34
75%	19,74
100%	20,81

Bajando:

Porcentaje de temperatura	Desviación estándar
100%	31,93
75%	14,32
50%	3,78
25%	0
0%	2,39

Tablas y Curvas de calibración del sensor (temperatura experimental Vs. temperatura patrón).

Subiendo:

Temperatura patrón (ºC)	Salida experimental del sensor (ºC)
3	22,5
25	3
51,8	33,5
75,2	56,5
100,6	78,5

ERROR DE CERO:

ERROR DE CERO= |MÍNIMO VALOR-PROMEDIO A ESA ESCALA|

ERROR DE CERO= |3-22,5| = 19,5

ERROR DE CERO= 19,5

ERROR DE GANANCIA: PARA ESTE ERROR SE TOMARON LOS VALORES EXTREMOS DE LA CURVA:

EG = (78,5-22,5) / (100,6-3)= 56/97,6

EG= 0,57

Bajando:

x Temperatura patrón (ºC)	y Salida experimental del sensor (ºC)
100,8	99,5
74,8	41,5
50	15,5
25,6	2,5
2	26

ERROR DE CERO=|2-26|

ERROR DE CERO= 24

EG = (99,5-26) / (100,8-2)= 73,5/98,8

EG= 0,74

ANÁLISIS DE ERRORES:

Según nos muestran los resultados, los errores obtenidos son significativos, considerando que no poseemos ningún tipo de circuito adicional para acondicionar la señal generada por cada sensor.

Comparando los valores obtenidos experimentalmente con los valores teóricos del termopar pudimos observar que existe discrepancia, esto se debe a que no existe acondicionamiento.

Una fuente de error es el termopar como tal, ya que su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener.

Los errores de cero fueron de 19,5 subiendo y 24 bajando, quiere decir que el sistema tiene poca exactitud, lo cual se puede corregir con un circuito que nos permita recalibrar el sistema.

CONCLUSIÓN:

En esta práctica se estudio un sensor de temperatura, específicamente la termocupla o termopar, observamos que el sensor viene acompañado de errores de los cuales no nos podemos deshacer y por lo tanto debe buscarse una forma de lograr disminuir esos errores para que los valores que se están midiendo tengan una aproximación mucho más grande a lo que realmente esta sucediendo.

El método de medición “directo”, es decir, tomando la salida directo del sensor sin tener un circuito que acondicione la señal para el medidor posterior no es beneficioso, debido a que si un sensor tiene una variación muy pequeña esta puede o NO ser detectada correctamente por el aparato medidor, generando errores y fallas en el sistema. Como el objetivo de un sistema de medición es obtener a la salida lo más fielmente posible lo que se censa en la entrada entonces debemos tomar en cuenta las características del medidor (mitímetro, en nuestro caso) y adecuar la señal para que este aporte la mayor exactitud a la medida posible.

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 centígrado son difíciles de obtener.

La recomendación es seguir el esquema planteado al inicio del curso para un sistema de medida, el cual indica la utilización de un circuito acondicionador de la señal proporcionada por el sensor, y que dicho circuito se adecue al instrumento indicador de la salida, bien sea un mitímetro u otro aparato.