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Laboratorio de Instrumentación MEDICIÓN DE TEMPERATURA 06 - septiembre - 2020, I Término 2020- 2021 Adriana Belén Rodríguez Torres Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral Guayaquil – Ecuador [email protected] RESUMEN En la presente práctica se pudo realizar un estudio comparativo acerca de los distintos instrumentos empleados en la medición de temperatura, siendo estos, la termocupla tipo J y tipo K, RTD, termistor y TPM36; obteniendo que existe un mayor rango de medición en las termocuplas, específicamente en la tipo K, no obstante debido a la pendiente de la curva de calibración, existe una mayor sensibilidad en la termocupla de tipo J. Adicional a esto, se observa que todos los instrumentos presentan una relación de linealidad, excepto por el termistor, el cual se asemeja a la tendencia exponencial con un ajuste del 99% para la curva descrita, además este comportamiento resulta porque en el RTD, se consideró la composición de hilos de platino, ya que es el material que mejor describe esta relación, a diferencia de otros como el níquel. Finalmente, se obtiene que el termistor analizado posee un coeficiente de temperatura negativo, es decir NTC, y por ello sigue una curva de calibración decreciente.

RESULTADOS

Tabla 1 Detalle de los simuladores utilizados

Termocupla Simulador Virtual Labs

SIMULADORES RTD Termistor Virtual Amrita Simulador Virtual Laboratories Labs Education

Termopar Temperatura de referencia: 20°C Tabla 2 Datos obtenidos para el termopar J

TIPO J

TPM36 Tinkercad

Temperatura Patrón [°C]

Termopar [mV]

285 346 295 156 342

14,38 17,77 14,95 7,27 17,55

Ilustración 1 Curva generada de tiempo respuesta para la termocupla tipo J Tabla 3 Datos obtenidos para el termopar J

TIPO K Temperatura Patrón [°C]

Termopar [mV]

179 173 270 261 370

6,56 6,32 9,87 9,6 13,88

Ilustración 2 Curva generada de tiempo respuesta para la termocupla tipo K

Temperatura Patrón vs Salida del sensor 20 y = 0,0553x - 1,3554 R² = 1

18

Salida del sensor [mV]

16 14 12 10

Termopar tipo J

y = 0,0382x - 0,322 R² = 0,9993

8

Termopar Tipo K

6 4 2 0 150

200

250

300

350

400

Temperatura Patrón [°C] Ilustración 3 Curva de calibración para los tipos de termopar analizados

RTD

Material: Platino Resistencia de Referencia R0: 100 Ω Tabla 4Datos obtenidos para PT-100

Temperatura Patrón [°C]

Resistencia RTD [𝛀]

601 654 -7 48 664

331,88 351,79 97,3 118,48 355.64

Ilustración 4 Curva de tiempo respuesta para RTD

Temperatura patrón vs Resistencia RTD 400

Resistencia RTD [Ω]

350 300 250

y = 0,3852x + 100,01 R² = 1

200 150 100 50 0

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

Temperatura [°C] Ilustración 5Curva de Calibración para el RTD

Termistor

Tipo/Número de termistor: 2 (Primer dato debe ser de la temperatura ambiente R0) Tabla 5 Datos obtenidos para el termistor

Temperatura Patrón [°C] 25

Temperatura Patrón [K] 298

58

Voltaje [V]

Corriente [mA]

1,2

1,2

331

1,2

85

358

106

Resistencia R0

1/T-1/T0

log R-logR0

𝜷

1000

0

0

4,923

243,753

-0,00033

-3,2509

1,2

19,26

62,3052

-0,00056

-6,392457

379

1,2

63,41

18,9244

-0,00071

-0,1366919

112

385

1,2

91,01

13,185364

-0,00075

-9,968875

131

404

1,2

303,8

3,949967

-0,00088

-12,744912

0 9717,0 5 11366, 2 12739, 7 13146, 3 14475, 3

[𝛀]

𝜶 [1/K] 0 -0,08869 -0,08868 -0,08869 -0,08868 -0,08869

Temperatura vs Resistencia del Termistor 1400 1200

Resistencia [Ω]

1000 800 600 y = 4386,4e-0,052x R² = 0,9942

400 200 0 0

20

40

60

80

100

Temperatura [°C] Ilustración 6 Curva de calibración para el termistor

TMP 36 Tabla 6 Datos obtenidos para el TMP 36

Temperatura Patrón [°C]

Sensor TMP 36 [mV]

-30 -5 0 25 42

210 450 509 749 929

120

140

Temperatura vs Respuesta de sensor TMP 36 Respuesta de TMP36 [mV]

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

-40

-30

-20

-10

y = 9,9615x + 505,65 R² = 0,9996

0

10

20

30

40

50

Temperatura [°C] Ilustración 7 Curva de calibración de sensor TMP 36

ANÁLISIS DE RESULTADOS, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se puede observar según los resultados presentados en las tablas 2 y 3, que la respuesta a la medición de temperatura utilizando termopares, sigue un crecimiento lineal, el mismo que demuestra un mayor rango de operación en el termopar de tipo K, sin embargo, la mayor sensibilidad recae sobre el termopar de tipo J, debido a que posee una pendiente más inclinada, tal como se aprecia en la ilustración 3; además se ilustra las curvas de tiempo respuesta dependiendo del modelo empleado para cada termopar, tal como se especifica en las ilustraciones 1 y 2, así como en la sección de anexos. Además, se observa que el comportamiento del detector resistivo de temperatura RTD manifiesta una tendencia de linealidad, evidenciando un ajuste del coeficiente R2 igual a 1; lo que implica que, a mayor temperatura, mayor será la resistencia, según lo indica la curva de calibración en la ilustración 5; para este caso también se incluye la respuesta de medición según el modelo escogido en el simulador (Ilustración 4). Para el análisis del termistor, se observa que es el único dispositivo que presenta un comportamiento no lineal, sino que sigue una tendencia exponencial con un ajuste del 99%, según se detalla por el coeficiente R2. Siendo decreciente con un valor mínimo de 3.95[Ω] a 131 °C. Finalmente, para el sensor TMP36, se observa el comportamiento similar en los otros casos, siendo este lineal y con pendiente positiva Conclusiones 

En un termopar, la junta fría y caliente deben estar lo menos cercana posible, ya que, de estar muy unidas, la diferencia de temperatura va a ser menor y por lo tanto no se podrá registrar un diferencial de voltaje, además en estos dispositivos se obtiene que la resistencia es muy baja ya que se compone de la unión de dos metales conductores.





El detector RTD, es un dispositivo que necesita de una fuente de alimentación y que convenientemente es mayor utilizada con hilos de platino, ya que este material representa de mejor manera la linealidad de los datos. Debido al comportamiento que sigue el termistor, se puede decir que es de tipo NTC, es decir negativo, ya que la resistencia mayor se encuentra a menores valores de temperatura, este elemento también es muy usado para la atenuación de corrientes inductivas.

Recomendaciones 

 

Se recomienda realizar simulaciones con otros tipos de termopares, para analizar su sensibilidad y rango con la curva de calibración obtenida; observando que estos factores dependen de los metales que constituyan la termocupla Existen dos tipos de termistor, NTC y PTC, se recomienda analizar ambos y observar su comportamiento en función de la temperatura. Realizar un análisis de sensor RTD, con otro componente como el níquel para observar su casi nula linealidad en comparación con el platino.

ANEXOS

Ilustración 8 Modelo utilizado para termopar tipo J

Ilustración 9 Modelo Utilizado para Termopar tipo K

Ilustración 10 Modelo utilzado para RTD

Ilustración 11 Esquema empleado en TinkerCad para el TMP36

Ilustración 12 Modelo Utilizado para el análisis de termistor