UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y BIOPROCESOS INFORME N°1 CONSTRUCCIÓN DE UN SENSOR DE TEMPERATURA Curso: Instrumentación y control de procesos Integrantes: Thiare Gaete Diego Muñoz Francisca Rodríguez Patricia Soto Profesor: Nicolas Pailahueque Fecha de entrega: 20 de mayo de 2022 RESUMEN Esta experiencia fue realizada en el departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Santiago de Chile, su objetivo principal es construir un sensor de temperatura y posteriormente calibrarlo, utilizando como referencia un termómetro de expansión de líquido. Se utilizo una protoboard para conectar la termocupla con la placa Arduino, y mediante un cable de datos USB se conectó la placa al computador. Luego, se programó la placa Arduino como un transmisor de temperatura, para esto se instaló el programa y las librerías de DallasTemperature y se utilizaron códigos de la librería OneWire para implementar el uso de dispositivos de tipo bus 1wire. Para la calibración del sensor, se utilizaron tres recipientes de 1 [L] los cuales contenían diferentes proporciones de agua fría y agua caliente, donde luego se midió la temperatura utilizando un termómetro de expansión de líquido y el sensor construido al mismo tiempo. Finalmente se graficaron los puntos para obtener la curva de calibración y se modificó el código con respecto al modelo conseguido de la curva. Se obtuvo una ecuación de calibración de 𝑌 = 0,9871𝑋 − 0,3091 con un coeficiente de determinación de 0,9996. Se compararon los tiempos de respuesta obtenidos experimentalmente con datos bibliográficos y se observó una concordancia con respecto a ellos, se sabe que la del termómetro es mucho menor en comparación al tiempo de respuesta de las termocupla, como se observó en este caso. Por lo tanto, se puede concluir que se cumplieron los objetivos propuestos y debido a que el coeficiente de determinación es un valor cercano a 1, es válido decir que se aplicó correctamente el modelo lineal elegido para la calibración del sensor. 1. OBJETIVOS 1.1.Objetivo general: Construir un transmisor de temperatura, mediante el uso de una termocupla con una placa Arduino. 1.2.Objetivos específicos: • Comprender el funcionamiento de la placa Arduino. • Conectar el sensor de temperatura con la placa programable Arduino. • Programar la placa Arduino como transmisor de temperatura. • Calibrar el sensor de temperatura, utilizando termómetros de expansión de líquido como medio de comparación. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1.Conexión de placa Arduino y termocupla. 2.1.1. Se utilizó una protoboard para la conexión a través de pines de la termocupla y transmisión de datos a la placa Arduino. 2.1.2. Desde la termocupla, se conectaron 3 pines, correspondientes a alimentación (azul), tierra (blanco) y datos (morado). 2.1.3. Luego, frente a los pines de alimentación y datos se conectó una resistencia de XX Ω. 2.1.4. Continuando con la instalación, se conectaron los pines de alimentación (azul), tierra(verde) y datos(amarillo) en la zona digital de la placa Arduino. 2.1.5. Finalmente, con un cable de datos USB se realizó la conexión de la placa Arduino al computador. 2.2.Programación de placa Arduino como transmisor de temperatura. 2.2.1. Una vez instalado el programa se descargaron las librerías de DallasTemperature para realizar lar la lecturas y configuraciones del sensor. Además, se utilizaron códigos de la librería OneWire que permite implementar el uso de dispositivos de tipo bus 1-wire. 2.2.2. Se implementó el código que se muestra en la Figura 3 del Anexo. 2.3.Calibración del sensor construido. 2.3.1. Se hirvió agua y se sirvió en tres recipientes de 1 [L] en diferentes proporciones, luego, se agregó agua fría, nuevamente en distintas proporciones. 2.3.2. Se midió la temperatura con un termómetro de expansión de líquido y con el sensor construido, a la par se midió el tiempo que tardó cada medidor en llegar a un valor constante. 2.3.3. Se construyó una curva de calibración y se modificó el código, agregando el valor de la pendiente en el segundo void loop. (Ver Figura 4) Figura 1: Diagrama de conexión de la placa y sensor de temperatura (Termocupla). Donde la línea verde representa el cable de tierra, la línea morado cable de alimentación y línea amarilla cable de datos. DATOS Al medir la temperatura de los recipientes con agua, tanto con la termocupla conectada al programa Arduino como el termómetro de expansión de líquido, además de del tiempo en el que cada uno se estabilizó, se obtuvieron los datos presentados en la tabla 1. Tabla 1: Datos obtenidos a través de la transmisión entre la termocupla y el programa Arduino. Tiempo[s] T sensor [°C] 44,6 61 111,3 62,4 54,4 38,14 78,44 75,5 50,63 49,5 14,19 14,25 T termómetro [°C] 78 74 49 48 14 14 3. RESULTADOS Se graficaron los datos que presenta la Tabla 1, para obtener la curva de calibración del sensor. Temperatura termometro[°C] 90 80 y = 0,9871x - 0,3091 R² = 0,9996 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperatura sensor [°C] Figura 2: Grafico de calibración de temperaturas medidas por termocupla(sensor) y termómetro de expansión de líquido; con la relación lineal con un R2=0,9996. A partir de la Figura 2, se obtiene la siguiente ecuación de la recta: 𝑌 = 0,9871𝑋 − 0,3091 (Ecuación 1) Donde, Y representa el valor de la temperatura real que mostrará el sensor, X el valor de temperatura que mide, por otro lado, la pendiente y el termino libre son los factores de corrección, por lo que se multiplican y restan, según corresponda, al valor medido. De esta manera, se agrega una nueva línea al código original para así rectificar y calibrar el sensor construido, la cual muestra la ecuación 2: float tempReal= 0.9871*temp-0.3091 (Ecuación 2) 4. DISCUSIONES Los sensores de temperatura como las termocuplas, a diferencia de los termómetros de expansión de líquidos que se encuentran graduados, si no están conectados a otro sistema, no reflejan el valor medido, por lo que al conectar este sensor con la placa Arduino y programar este como se indica en el procedimiento, es posible pasar de un medidor a un transmisor de temperatura. El coeficiente de determinación obtenido fue de 0,9996, bastante cercano a 1, lo que implica que el modelo lineal utilizado se ajusta a la variable que se busca explicar. Esta relaciona los valores de la termocupla y los del termómetro de expansión de líquidos, por medio de factores de corrección, para que los valores medidos por ambos sean lo más cercanos posibles. Sin embargo, para que la calibración hubiese sido más ideal, el termino libre de la Ecuación 1 debería ser 0. En cuanto al tiempo de respuesta, se sabe que para un sensor de temperatura de expansión de líquido es de entre 1 a 20 [s], mientras que el de una termocupla es de 1 a 2 [min]. (A. Creus, 2010). Al realizar la experiencia se observó que el termómetro utilizado como comparador se estabilizaba mucho más rápido que el construido, ya que, como vemos en los datos de la Tabla 1, para el sensor construido se llegó a un valor constante en distintos rangos de tiempo, que van desde los 38-110 [s], los que al comparar con los reportados en el libro Instrumentación Industrial de A. Creus en 2010, son más rápidos. Tabla 2: Tipos de termocupla, material de construcción y rango en el cual miden. (Creus, 2010) Tipo de Termocupla Material Rango de medición E Cromel/Constantan -200 a 900 °C T Cobre/ Constantan -200 a 260 °C J Hierro/ Constantan -200 a 1200 °C K Cromel/Alumel -40 a 1100 °C R Platino 13%/Rodio/Platino 0 a 1600 °C S Platino 10%/Rodio/Platino 0 a 1600 °C B Platino 30%/Rodio/Platino 6% 600 a 1600°C (84,6% Níquel-1,4% CromoN 1,4% Silicio) / (95,6% Niquel0,4% Silicio) 0 a 2300 °C Como se puede observar en la Tabla 2, según los rangos de medición, la termocupla que se utilizó a lo largo de práctico es más probable que sea de tipo E, T, J o K. Por otro lado, los tipos R, S, B y N, tienen rangos más amplios, que además de ser costosos por la composición de platino que contienen, tendrían una menor precisión al momento de medir temperaturas de hasta 100°C por lo que tampoco es conveniente su utilización para medio. 5. CONCLUSIONES Retomando los objetivos planteados, se logró construir un transmisor de temperatura mediante una termocupla conectada a una placa Arduino, y específicamente, se logró calibrar dicho sensor mediante el uso de un termómetro de expansión de líquido. A partir de la calibración del sensor, se obtuvo una ecuación de corrección de Y = 0,9871X − 0,3091, con un coeficiente de determinación de 0,9996, que valida el uso del modelo lineal. Con eso, se pudo modificar el código para que el sensor se encontrara efectivamente calibrado. Además, se observa una concordancia entre lo medido en la práctica y lo encontrado en bibliográfica con respecto a los tiempos de respuesta del termómetro y del sensor. 6. RECOMENDACIONES Se recomienda qué durante el procedimiento, se mantengan fijos ambos sensores en el centro del recipiente, de manera que sean representativos de la temperatura total y no de las paredes del recipiente. Además, se recomienda medir un rango mayor de temperaturas, es decir, con más recipientes a distintas temperaturas, con el propósito de tener más puntos y obtener una mejor curva de calibración, con un coeficiente de determinación más cercano a 1 y un término libre más cercano a 0. BIBLIOGRAFIA [1] Creus, A. (2010). Medida de temperaturas, Instrumentación Industrial. (8° ed., pp 254-316). Alfaomega Grupo Editor. [2] Hernández, L. D. V. (2022, 13 enero). DS18B20 sensor de temperatura para líquidos con Arduino. Programar fácil con Arduino. https://programarfacil.com/blog/arduinoblog/ds18b20-sensor-temperatura-arduino/ [3]Tutorial sensor digital de temperatura DS18B20. (2015). Naylamp Mechatronics - Perú. https://naylampmechatronics.com/blog/46_tutorial-sensor-digital-de-temperaturads18b20.html 7. ANEXOS Figura 3: Código obtenido de página de programación1 1 https://programarfacil.com/blog/arduino-blog/ds18b20-sensor-temperatura-arduino/ Figura 4: Código rectificado a partir de la relación lineal obtenida de la Figura 2, se agrega una línea en el loop() para obtener la temperatura del sensor y mostrarlo en el monitor.