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I
INFORME PASANTÍA EN EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA SOLAR – GIFMAES:
“DISEÑO Y PUESTA EN OPERACIÓN DE UNA GARITA AMBIENTAL, E
INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA AMBIENTE DE LA ESTACIÓN FMAES”
JULIETH BRAVO ORDOÑEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
LICENCIATURA EN FÍSICA
BOGOTA, D.C.
MAYO DE 2017
II
INFORME PASANTÍA EN EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA SOLAR – GIFMAES:
“DISEÑO Y PUESTA EN OPERACIÓN DE UNA GARITA AMBIENTAL, E
INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA AMBIENTE DE LA ESTACIÓN FMAES”
JULIETH BRAVO ORDOÑEZ COD: 20092135008
TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE LICENCIADO EN FÍSICA
NELSON LIBARDO FORERO CHACÓN
DIRECTOR
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
LICENCIATURA EN FÍSICA
BOGOTA, D.C.
MAYO DE 2017
iii
NOTA DE CERTIFICACIÓN
Por medio de la presente CERTIFICO que la estudiante JULIETH BRAVO ORDOÑEZ con
Cód.: 20092135008 ha cumplido con las labores de la pasantía con el grupo de
investigación Física del Medio Ambiente y Energía Solar – FMAES, cumpliendo y
superando las 384 horas de trabajo comprometidas para el desarrollo de sus
actividades.
_______________________________________
Prf. Nelson Libardo Forero Chacón DIRECTOR
NOTA DE ACEPTACIÓN
Este informe titulado “DISEÑO Y PUESTA EN OPERACIÓN DE UNA GARITA AMBIENTAL,
E INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA
AMBIENTE DE LA ESTACIÓN FMAES”, realizado por JULIETH BRAVO ORDOÑEZ recibió
la calificación APROBADO por cumplir satisfactoriamente los objetivos propuestos.
_______________________________________
Prf. Nelson Libardo Forero Chacón DIRECTOR
_______________________________________ JURADO
_______________________________________ JURADO
Bogotá, Mayo de 2017
iv
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por brindarme la oportunidad
de pertenecer a la institución y por la educación que recibí la cual me ha llevado a
crecer en las ciencias y la enseñanza profesionalmente.
Al profesor Nelson Libardo Forero Chacón por su apoyo como docente y director de
tesis para culminar mi carrera, su esfuerzo, paciencia y dedicación me permitieron
no solo alcanzar logros sino también aprender y conocer un nuevo mundo orientado
hacia la física del medio ambiente.
A mi familia por su apoyo incondicional al regalarme la mejor educación desde niña
tanto académica como en valores.
v
TABLA DE CONTENIDO.
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 1
1.1. OBJETIVOS ...................................................................................................... 1
2. CONCEPTOS GENERALES .................................................................................. 3
2.1. Un poco de historia de los instrumentos de medición de temperatura y de
las escalas de temperatura. ....................................................................................... 3
2.2. Concepto de Temperatura ............................................................................. 5
2.3. Características de dispositivos de medición de temperatura ........................ 7
2.4. Estructura del termistor y principio físico .................................................... 10
2.5. Estructura de una estación meteorológica (Garita ambiental) .................... 12
2.6. LabVIEW ........................................................................................................ 13
3. DESCRIPCIÓN E INFORME DE LAS ACTIVIDADES DESARROLLADAS. ................ 15
3.1. Revisión bibliográfica y análisis conceptual del tema. (30 horas dedicadas)
15
3.2. Inventario de elementos, dispositivos y equipos del sistema de monitoreo
de temperatura ambiente y estado de los mismos. (10 horas dedicadas). ............ 16
3.3. Identificación de elementos en deterioro y recuperación operacional. (10
horas dedicadas)...................................................................................................... 17
3.4. Instalación y puesta en operación del equipo reparado. (20 horas
dedicadas)................................................................................................................ 18
3.5. Presentación y sustentación de las distintas actividades y avances en el
seminario FMA&ES. (30 horas dedicadas). ............................................................. 20
3.6. Estudio y capacitación sobre manejo de LabVIEW como plataforma de
leguaje gráfico. (20 horas dedicadas) ...................................................................... 22
vi
3.7. Reconfiguración del software y el hardware involucrados en el instrumento
virtual. (10 horas dedicadas) ................................................................................... 22
3.8. Revisión y aplicación del software LabVIEW como lenguaje de
programación gráfica para el desarrollo del sistema de adquisición de datos sobre
temperatura ambiente. (10 horas dedicadas) ........................................................ 25
3.9. Adaptación y actualización del instrumento virtual para el mejoramiento
del sistema de adquisición de datos de temperatura. (10 horas dedicadas) ......... 25
3.10. Calibración, instalación y puesta en operación del sistema de monitoreo
de temperatura ambiente. Formación y capacitación en el análisis estadístico
sobre el manejo de datos. (10 horas dedicadas). ................................................... 26
3.11. Análisis de los datos registrados durante al menos tres meses de
adquisición. (20 horas dedicadas) ........................................................................... 29
3.12. Interpretación, análisis y correlación estadística de los resultados
respecto a reportes oficiales. (24 horas dedicadas). .............................................. 30
3.13. Presentación de avances y resultados en un evento nacional. (20 horas
dedicadas). (20 horas dedicadas). ........................................................................... 31
3.14. Preparación y presentación de artículo para posible publicación en una
revista de carácter científico. .................................................................................. 32
3.15. Redacción y presentación informe final. .................................................. 32
3.16. Oportunidades de Mejora. ....................................................................... 33
4. EXPERIENCIA ADQUIRIDA. .......................... ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO.
5. CONCLUSIONES ............................................................................................. 34
6. BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................... 35
vii
LISTA DE FIGURAS.
Figura 1. Diagrama de bandas característico de un material semiconductor. ............ 10
Figura 2. Curvas características típicas R vs. T para los termistores NTC y PTC
respectivamente. [2] ................................................................................................... 11
Figura 3. Tipos de garitas ambientales. a.) Garita Stevenson; .................................... 12
Figura 4. Instrumento Virtual. a.) panel frontal; b.) diagrama de bloques (conexiones)
..................................................................................................................................... 14
Figura 5. Regulador de tensión LM7805 ..................................................................... 18
Figura 6. Representación de la plataforma de la estación de medición de variables
ambientales, donde se señala la garita ambiental. ..................................................... 19
Figura 7. Representación de la plataforma de la estación de medición de variables
ambientales, donde se señala la garita ambiental. ..................................................... 20
Figura 8. Variación de la resistencia con la temperatura para diversos tipos de
termistores NTC. [] ...................................................................................................... 24
Figura 9. Diagrama de conexiones del instrumento desarrollado para la medida de la
temperatura ambiente. ............................................................................................... 26
Figura 10: Panel frontal del instrumento Virtual desarrollado para la medida de la
temperatura ambiente. ............................................................................................... 27
Figura 11: Medida de la resistencia óhmica del termistor 5KOhm en función de la
temperatura. ............................................................................................................... 28
Figura 12: Correlación de las medidas de temperatura obtenidas a partir del IV
desarrollado, en función de la medida de temperatura obtenidas a partir de un
equipo RTD, como referencia. ..................................................................................... 29
Figura 13. Curva de Temperatura ambiente vs. Hora del día para el 04 de marzo de
2015. ............................................................................................................................ 30
viii
Figura 14. Panel frontal del instrumento Virtual desarrollado para la medida de la
temperatura ambiente. ............................................................................................... 31
Figura 16: Panel frontal del instrumento Virtual desarrollado para la medida de la
temperatura ambiente. .................................................. ¡Error! Marcador no definido.
ix
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Sensores Mecánicos de Temperatura. ............................................................. 8
Tabla 2. Sensores de radiación de temperatura. ........................................................... 8
Tabla 3. Sensores electrónicos. ..................................................................................... 8
1
1. INTRODUCCIÓN
Por varios años el grupo de investigación “Física del medio ambiente y energía solar”
(FMAES) de la Universidad Distrital, se ha interesado por la medición de variables
atmosféricas como la radiación solar, humedad relativa, velocidad del viento y
temperatura, mediante la instalación de sistemas de monitoreo que son analizados
en plataformas virtuales como LabVIEW.
Los equipos utilizados a lo largo de varios años fueron desmontados debido a
trabajos de remodelación de la sede Macarena de la Universidad Distrital.
Actualmente se tiene proyectado recuperar los equipos de medición incluyendo la
garita ambiental para el monitoreo de la temperatura ambiente. Cada equipo
recuperado, requiere de su recomposición tanto un software como en hardware
para su funcionamiento.
En cuanto a la infraestructura para la medición de la temperatura ambiente es
necesario el rediseño y la reconstrucción de una estación ambiental. Ésta estación
comprende un dispositivo de medición cuyo principio básico es la variación de la
resistencia eléctrica. Para ello se ha estudiado el funcionamiento de termistores y
termómetros RTD de platino. En el hardware se encuentran los termistores (NTC,
PTC) que tienen la capacidad de aumentar o disminuir su resistencia eléctrica de
acuerdo a la variación de la temperatura y los termómetros RTD de platino, por su
sensibilidad y precisión. El software está compuesto por una plataforma virtual en
lenguaje gráfico llamado LabVIEW, que mediante monitoreo y control, mostrará
gráfica y numéricamente la variación de la temperatura.
Este es el objetivo principal de recuperar el sistema de monitoreo de temperatura
ambiente en la estación FMAES de la Universidad Distrital.
1.1. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y poner en operación una garita ambiental e instalar el sistema de
monitoreo para la toma de la temperatura ambiente, por medio de la
plataforma LabVIEW en la estación FMAES de la Universidad Distrital Francisco
José de Caldas.
2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Y ACTIVIDADES PLANTEADAS
Hacer una revisión bibliográfica y realizar un análisis conceptual del tema.
Realizar un inventario de elementos, dispositivos y equipos del sistema de
monitoreo de temperatura ambiente y revisar el estado de los mismos.
Identificar los elementos en deterioro y recuperarlos operacionalmente.
Instalar y poner en operación el equipo reparado.
Presentación y sustentación de las distintas actividades y avances en el
seminario FMA&ES.
Estudio y capacitación sobre el manejo de LabVIEW como plataforma en
lenguaje gráfico.
Reconfiguración del software y el hardware involucrados en el instrumento
virtual.
Revisión y aplicación del software LabVIEW como lenguaje de programación
grafica para el desarrollo del sistema de adquisición de datos sobre
temperatura ambiente.
Adaptación y actualización del instrumento virtual para el mejoramiento del
sistema de adquisición de datos para la toma de la temperatura.
Calibración, instalación y puesta en operación del sistema de monitoreo de
temperatura ambiente.
Formación y capacitación en el análisis estadístico sobre el manejo de los
datos.
Análisis de los datos registrados durante al menos tres meses de
adquisición.
Interpretación, análisis y correlación estadística de los resultados respecto a
reportes oficiales.
Presentación de avances y resultados en un evento nacional.
Preparación y presentación de un artículo para posible publicación de este
en una revista de carácter científico.
Redacción y presentación informe final.
3
2. CONCEPTOS GENERALES
2.1. Un poco de historia de los instrumentos de medición de temperatura y de
las escalas de temperatura.
A través del tiempo se han utilizado diversos fenómenos de carácter fisicoquímico
para la medición de temperatura. En este contexto, se debe entender el significado
del fenómeno de transducción, en los que se aprovecha la influencia de una
magnitud física o físico-química (magnitud 1), sobre una sustancia o material,
afectando o influyendo en otra magnitud física o físico-química (magnitud 2). Es el
caso, del efecto causado por el cambio de temperatura (magnitud 1) en un material
con el fenómeno de dilatación del mismo (magnitud 2). Estos fenómenos, en
especial la dilatación de los fluidos, fueron tradicionalmente empleados para diseñar
instrumentos que permitieran la medición de la temperatura. (Salomón & Miatello,
2009)
Inicialmente se trabajó con líquidos como agua, luego con alcohol y después con
mercurio, aumentando la precisión en ese mismo orden, luego se trabajó con gases
aumentando significativamente su precisión y actualmente con el avance de la
tecnología se han desarrollado dispositivos electrónicos que usan ciertas
propiedades y fenómenos fisicoquímicos de una sustancia o material como la
emisión de radiación para medir la temperatura.
Veamos algunos hechos históricos. En 1592 el científico Galileo Galilei construyó el
que se conocería como el primer instrumento de medición de temperatura, el cual,
permitiría observar el fenómeno de dilatación en el agua dentro de un bulbo
cerrado. Dicho instrumento presentó fallas debido a las condiciones atmosféricas,
puesto que el cambio en la presión generaba reacciones en el agua independientes a
la temperatura.
En 1641, el duque de Toscana, construyó un instrumento de medición de la
temperatura catalogado como el primer termómetro. Dicho termómetro fue
conocido como “Termómetro de bulbo de alcohol con capilar sellado”.
Este termómetro aún se utiliza en la actualidad ya que el alcohol posee una facilidad
de dilatación al cambio de energía. Pero su precisión no es recomendable.
4
En 1717, el físico Gabriel Fahrenheit, fabricó el termómetro de mercurio, cuyo
funcionamiento es igual al del termómetro de alcohol, con la diferencia de que el
mercurio, debido a su densidad y capacidad de dilatación, permite mayor precisión.
El termómetro de mercurio se comercializa actualmente, aunque debido a la
toxicidad de dicho metal tiene algunas restricciones. De la misma manera,
históricamente se han desarrollado instrumentos, como el termómetro de gas cuyo
funcionamiento se basa en el cambio de presión o de volumen de acuerdo a la
variación de la temperatura y al tipo de gas utilizado (He, H o N).
Actualmente se tienen dispositivos, que a través de fenómenos de transducción
básicos y prácticos, los hace muy precisos para la medición de temperatura. Citemos
los más relevantes en el caso que nos ocupa:
● Termocuplas: Medición de la temperatura basándose en el efecto
termoeléctrico entre dos alambres metálicos. (Cardona - Marciel, 2010)
● Resistencias de platino o, RTD: El principio básico de un termómetro RTD es la
variación de la resistencia eléctrica de un metal causado por el aumento en la
temperatura1. La resistividad eléctrica varía en cada material de acuerdo a las
condiciones que rodean dicho material. Los metales tienen la capacidad de variar su
resistencia eléctrica de acuerdo al aumento de temperatura, por esta razón se utiliza
un metal en los termómetros RTD, en este caso el platino, el cual, es más preciso,
aunque también se utilizan otros metales conductores como Cobre o Níquel
● El Termistor. (Ver sección: Estructura del termistor y principio físico)
De acuerdo a los dispositivos e instrumentos que se fueron construyendo a través de
la historia, también se definieron algunas escalas de temperatura.
1 Artículo: “Resistance Temperature Detectors (RTDs), Measurement Specialties, pags: 1-4
5
Primero, quien construyó el termómetro de mercurio, Fahrenheit, creó una escala
teniendo como punto de referencia la temperatura más baja obtenida en un
laboratorio para ese entonces y la temperatura del cuerpo humano. El recorrido del
mercurio entre estos dos puntos se dividió en 96 partes iguales. Así pues, se ajustó la
medida en donde el punto de congelación del agua fuese 32°F y el punto de
ebullición 212°F. Ésta escala aún se utiliza en países anglosajones.
En 1740, el científico sueco Celcius, propuso como los puntos de base, los estados de
fusión y ebullición del agua a nivel del mar es decir una atmósfera de presión y
dividió la escala de medición en 100 partes comprendiendo valores tanto positivos
como negativos, en donde el cero era el punto de congelación del agua y 100 era el
punto de ebullición del agua. Ésta escala a la cual se le llamó centígrada se utiliza
actualmente y además de esto hace parte del sistema métrico decimal.
En 1967, se adoptó el concepto de “punto triple del agua”, el cual hace referencia al
punto en cual el agua líquida, el hielo y el vapor de agua se encuentran en equilibrio
termodinámico. Tomando como referencia la escala centígrada se construyó la
escala Kelvin. La escala Kelvin tiene como referencia la temperatura más baja del
cosmos, esto es el 0K corresponden a -273.15°C, 273,15K a 0°C y 100°C
corresponden a 373.15 K.
De la misma manera se propusieron diferentes escalas que no tuvieron mucho éxito
como la escala Rankine, escala Reaumur, grado Romer, Grado Newton o la escala
Delisle.
2.2. Concepto de Temperatura
La temperatura es un concepto que el hombre ha estudiado a través de la historia,
la percepción por medio de los sentidos ha llevado a definirla como dos estados, frio
o caliente.
Como anteriormente se ha mencionado, a través de la historia se han desarrollado
diferentes dispositivos para la medición de la temperatura, que en la práctica es una
medición indirecta, ya sea, por el fenómeno de dilatación en fluidos o por variación
de la resistencia eléctrica en metales conductores, o en semiconductores.
6
Las sensaciones que se experimentan a través de los sentidos (como frío o caliente),
son una interpretación de la actividad energética de un sistema (Lea & Burke).
Si en un sistema se altera el estado de reposo de sus moléculas, incrementando la
energía cinética de estas, entonces, como consecuencia se observan otras reacciones
como lo son la transferencia de energía de un medio a otro que en otras palabras es
llamado calor. “Calor significa la cantidad de energía que se transfiere mediante una
gran cantidad de hechos aleatorios” 2.
La energía interna de un sistema depende de la velocidad con la que sus moléculas
se muevan (traslacional, rotacional y vibraciones), es decir de la cantidad de energía
cinética que éstas presenten. Cuando hay mayor movimiento y mayor energía
cinética, aumenta a su vez, la cantidad de energía en dicho sistema y la cantidad de
calor, lo que hace que se experimente una sensación “caliente”. Es ahí cuando se
dice que la temperatura aumenta, pero si por el contrario no hay incremento de la
energía cinética se dice que no hay aumento en la temperatura.
“La temperatura no es una medida de "calor en el cuerpo", la temperatura es una
magnitud física que nos indica cuantitativamente, el estado de "caliente" o "frío" de
un cuerpo, que se expresa mediante un número asociado convencionalmente al
cuerpo3.”
Hasta el momento no existe un concepto directo sobre lo que es temperatura,
puesto que es una variable física que siempre se ha medido indirectamente,
depende del calor y de la energía de un sistema.
El valor de la temperatura no se obtiene de la misma forma en cualquier estado de la
materia, por ejemplo la temperatura en los líquidos hace que estos presenten un
cambio en su volumen. Al aumentar la temperatura se dilatan y al disminuir la
temperatura se contraen.
2 Ibíd.
3Texto citado del escrito: “Temperatura”, Universidad de El Salvador, Facultad de Ciencias Y
Matemática, lic. Martin Peña, 2007, página 1, párrafo 2
7
También, la variación de temperatura puede cambiar de estado a los líquidos,
cuando se pasa del punto de ebullición es estado gaseoso y cuando se pasa de su
punto de congelación es estado sólido.
Al hablar de los gases, se hace referencia a las moléculas que lo componen y el
movimiento de ellas en un medio. En los gases ideales, es decir, aquellos gases que
no interactúan entre sí, existen tres leyes por medio de las cuales se puede obtener
teóricamente el valor de las variables que lo componen (temperatura, presión y
volumen). Estas leyes son:
Ley de Charles, donde la temperatura es proporcional al volumen considerando la
presión constante, Ley de Gay – Lussac, donde la presión es proporcional a la
temperatura considerando el volumen constante y La ley de los gases ideales en
donde ninguna de las variables es constante.
Finalmente en los sólidos el movimiento de las moléculas es más limitado ya que los
sólidos tienen una estructura definida y no hay la posibilidad de moverse libremente
como en los líquidos o gases. Así que, cuando aumenta la cantidad de vibraciones,
aumenta la energía interna y por ende la temperatura.
2.3. Características de dispositivos de medición de temperatura
A continuación se realiza una descripción de las características de los sensores de
medición de temperatura, clasificados en diferentes grupos de acuerdo a su
funcionamiento. Se han clasificado como sensores mecánicos, eléctricos y de
radiación. Hay un sinfín de dispositivos que tienen la función de medir temperatura:
8
Tabla 1. Sensores Mecánicos de Temperatura4.
Tabla 2. Sensores de radiación de temperatura5.
Tabla 3. Sensores electrónicos6.
4 http://de-de.wika.de/upload/DS_IN0007_es_es_37261.pdf. Consulta online Marzo 2017.
5 http://www.metas.com.mx/guiametas/La-Guia-MetAs-04-02-piro.pdf. Consulta online Marzo 2017.
Nombre Funcionamiento Ventajas Desventajas
Termómetro Bimetálico
Basándose en el fenómeno de dilatación en los metales. Éste termómetro consta de dos líneas de metales diferentes, las cuales, en presencia del cambio de temperatura generan un movimiento mecánico en una aguja, mostrando así un valor de temperatura
Son mucho más manejables que los termómetros de vidrio. Son de muy bajo costo. A diferencia de los termómetros de líquido no importa la posición en la que se ubiquen
No son de mayor precisión, su rango de medición está entre -70°C y 500°C.
Termómetro de dilatación de gas
El principio básico de este termómetro es el cambio de presión, se compone de un bulbo en donde se encuentra concentrada una cantidad de gas a presión, la variación de temperatura produce también un cambio mecánico en una aguja.
Su rango de medición está entre -200°C y 700°C.
Se demora entre uno y dos minutos en alcanzar el valor de medición. Necesitan más cuidado debido a su sensibilidad.
Termómetros de líquido en vidrio
En este grupo se encuentran los termómetros más comerciales que son los de alcohol y los de mercurio. Obedecen al fenómeno de dilatación en fluidos. Al incrementar la temperatura estos dos fluidos tienen la capacidad de dilatarse y así ascender sobre una pared de vidrio, señalando un valor de temperatura.
Los termómetros de mercurio son más precisos que los de alcohol. Son los más comerciales.
El mercurio puede ser muy tóxico al romperse el vidrio que lo sostiene. El alcohol no es tan preciso. No se utilizan para grandes mediciones
Nombre Funcionamiento Ventajas Desventajas
Pirómetro Su funcionamiento se basa en la ley de Stephan-Boltzman, la cual dice que la energía emitida por un cuerpo negro por unidad de área y unidad de tiempo es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.
Toma medidas de temperatura increíblemente altas en comparación a otros dispositivos
Solo sirve para medidas de cuerpo estelares radiantes como el sol
9
6 http://ingenieria.udea.edu.co/public-dcastellanos/Instrumentacion/Diapositivas/3-Temperatura-ISA2009.0.pdf. Consulta online Marzo 2017.
Nombre Funcionamiento Ventajas Desventajas
Termocupla Las termocuplas las componen dos alambres de diferente material, que al incrementar la temperatura se genera una diferencia de potencial entre los dos alambres. Este efecto se conoce como termoeléctrico. Existen 7 tipos de termocupla. Cada metal tiene una precisión diferente por esta razón se clasifican en tipo B,R,S.J.K, T & E
Tiene capacidad para medir temperaturas altas. Pueden utilizarse en gases oxidantes. La termocupla tipo J se puede usar en gases como hidrógeno y es de muy bajo costo.
No se deben usar en gases como hidrógeno o monóxido de carbono.
RTD (Termorresistencias)
Las termorresistencias se basan en el principio básico de variación de la resistencia eléctrica de algunos metales, en este caso el platino. Se utilizan materiales del rango de los metales porque tienen la capacidad de variar su resistividad con el aumento de temperatura
Son más lineales que las termocuplas Responden rápidamente Tienen una alta precisión
Debido a que el platino es de alto costo, las RTD de platino son más costosas que las termocuplas o que el termistor.
Termistores Al igual que las RTD su principio se basa en la variación de la resistividad eléctrica, pero en este caso de materiales semiconductores. Los termistores son de dos tipos NTC y PTC. NTC sugiere que disminuye el valor de la resistencia en el momento en el que la temperatura aumenta y PTC por el contrario aumenta la resistencia cuando aumenta la temperatura. Vienen como óxido de níquel, magnesio, hierro, cobre, manganeso, titanio y silicio.
Son altamente sensibles Son de bajo costo en comparación a las termocuplas y las RTD
No son lineales
10
2.4. Estructura del termistor y principio físico
Los termistores son dispositivos transductores pasivos, pues requieren potencia
externa (excitación) para generar su señal y otorgan lecturas de resistencia eléctrica
asociadas a cambios en la temperatura del medio circundante; esencialmente se
construyen a partir de mezclas de óxidos metálicos conglomerados de los metales de
transición en la tabla periódica (cromo, hierro, manganeso, cobalto, níquel, selenio,
titanio, uranio o mezclas sinterizadas consistentes en polvos metálicos de sulfatos),
que poseen una resistividad bastante elevada, y que a su vez pueden transformarse
en variadas presentaciones amorfas de materiales semiconductores mediante la
adición de pequeñas cantidades de otros iones de distinta valencia.
En los materiales semiconductores, la brecha energética (Eg) entre las
bandas de valencia y conducción es de aproximadamente 1 eV. En este tipo de
sólidos, todos los electrones se encuentran en la banda de valencia y por tanto, la
conducción es muy pobre a temperaturas bajas, pero a temperaturas ordinarias
(como la temperatura ambiente), un número considerable de electrones son
excitados térmicamente desde la banda de valencia hasta la banda de conducción,
dada la relativa cercanía entre ambas, y que el nivel de Fermi se encuentra localizado
cerca de la parte media del gap, como se describe en la figura 1.
Figura 1. Diagrama de bandas característico de un material semiconductor.
PTC (Positive Temperature Coefficient). Termistores con coeficiente de temperatura
positivo. Son dispositivos que sufren un aumento en la resistencia con el aumento de
la temperatura a la que son sometidos. Así, cuando el dopado de los
semiconductores es muy intenso, éstos adquieren propiedades de coeficiente
positivo en un rango limitado de temperaturas, mientras que fuera de él es negativo
o nulo.
11
NTC (Negative Temperature Coefficient). Termistores con coeficiente de
temperatura negativo. Son dispositivos que sufren una disminución en la resistencia
con el aumento de la temperatura a la que son sometidos. De este modo, ante un
incremento en la temperatura, el número de portadores (en este caso electrones de
valencia) aumenta y consecuentemente, la resistencia eléctrica disminuye. Los
termistores NTC presentan una alta resistencia eléctrica a bajas temperaturas.
En la figura 2 se ilustran los comportamientos típicos de la resistencia en función de
la temperatura para ambos tipos de termistor.
Figura 2. Curvas características típicas R vs. T para los termistores NTC y PTC respectivamente. [2]
Los termistores NTC son semiconductores tipo n, donde los portadores mayoritarios
son electrones que han sido excitados térmicamente a través de la brecha de energía
desde la banda de valencia hasta la banda de conducción (por ejemplo, al dopar el
óxido férrico y sustituir algunos iones de Fe3 por Ti4, se obtiene un semiconductor
tipo N). [3]
12
2.5. Estructura de una estación meteorológica (Garita ambiental)
Una garita meteorológica también llamada “caseta ambiental” o “abrigo
meteorológico”, es una estructura que brinda protección a instrumentos de
medición de variables ambientales como temperatura ambiente, humedad relativa,
entre otros.
La estructura protege las medidas adquiridas de agentes externos que puedan
interferir en éstas como la radiación solar directa, radiación difusa, lluvias y
velocidad del viento, también se protegen los instrumentos de medición de daños
como el sobrecalentamiento por radiación, la ruptura de algún componente a causa
del viento circundante o la humedad debido a las lluvias y precipitaciones. Existen
tres principales tipos de garita: Stevenson, para instrumentos y Pagoda.
a.)
b.)
Figura 3. Tipos de garitas ambientales. a.) Garita Stevenson;
La garita Stevenson cuyo modelo se presenta en la figura 3.a.), puede ser de forma
rectangular o cuadrada, protege termómetros de máxima y mínima, tiene una
ventilación natural por medio de persianas…
La garita para instrumentos es más pequeña que la Stevenson y protege
instrumentos de radiación, tiene una ventilación interna.
13
La garita “Pagoda”, la cual recibe este nombre debido a su forma, se utiliza en los
polos y lugares cercanos, por lo cual es necesario proteger los instrumentos que se
encuentran en su interior de la nieve, por lo general es más alta que las demás para
evadir la acumulación de nieve en el suelo.
El diseño de este tipo de estructuras son recomendadas por la OMM (Organización
Meteorológica Mundial), quien es una organización internacional creada por la ONU
en 1946 que asegura y facilita la cooperación entre los servicios meteorológicos,
promover y unificar los instrumentos de medida y los métodos de observación.
Existen dos diseños diferentes propuestos por la OMM para garitas ambientales.
Pantalla de ventilación natural: El material utilizado en garitas ambientales
por lo general es madera, debido a que es un excelente aislante térmico,
pero también existen otros materiales como el plástico PVC.
Estas estructuras deben ser pintadas preferiblemente con pinturas blancas no
higroscópicas, esto, para evitar la absorción de radiación solar y humedad. La
ventilación como su nombre lo indica es natural, pues las paredes llevan persianas
que permiten la circulación del aire para mantener en buenas condiciones el equipo
de medición.
La orientación de la garita debe ir de hemisferio norte a sur, colocando la puerta en
la parte norte para evitar una mayor incidencia de radiación solar y a su vez el
recalentamiento de la estructura. El mantenimiento debe ser regular en cuanto a
limpieza, se debe pintar cada año.
Pantalla de ventilación artificial: Este tipo de garita se caracteriza por llevar
dos pantallas concéntricas verticalmente hechas con material aislante
diferente a la madera. El aire pasa por las pantallas con una velocidad de
hasta 10 m/s máximo. La radiación solar puede absorberse del suelo por lo
que es necesario poder la garita lejos del suelo. [4].
2.6. LabVIEW
Es un lenguaje de programación gráfico que utiliza un modelo de flujo de datos en
lugar de líneas secuenciales de código de texto, desarrollado por la firma National
Instruments NI.
14
NI-LabVIEW, originalmente estaba orientado para aplicaciones de control de equipos
electrónicos usados en el desarrollo de sistemas de instrumentación, lo que se
conoce como “instrumentación virtual”. Por este motivo los programas creados en
LabVIEW se guardan en ficheros llamados VI (Virtual Instrument), y con la misma
extensión.
Un Instrumento Virtual, VI, es un instrumento real que al momento de crearse es
posible utilizar varios IV los cuales son llamados sub-IV, con todos ellos pueden
crearse programas robustos. La programación en Labview se compone de dos partes:
el panel frontal y el diagrama de bloques. El panel frontal es la forma de interactuar
con el instrumento virtual, en este se presentan los botones, graficas, cajas de
recepción de datos y muestra de datos; el panel frontal es la interfaz de Entrada –
Salida con el instrumento virtual.
El diagrama de bloques permite crear de forma gráfica la programación del
instrumento virtual, al igual que en la programación a bajo nivel, Labview utiliza las
mismas estructuras, solo que estas se representan con bloques las cuales
interactúan entre ellas por medio de cables.
a.)
b.)
Figura 4. Instrumento Virtual. a.) panel frontal; b.) diagrama de bloques (conexiones)
El panel frontal y el diagrama de bloques se conectan a través de terminales,
elementos que sirven como entradas o salidas de datos.
15
3. DESCRIPCIÓN E INFORME DE LAS ACTIVIDADES DESARROLLADAS.
Una vez oficializada por parte del Consejo Curricular, e informado en diciembre de
2014 la aprobación del trabajo de Grado, bajo la modalidad de pasantía de
investigación a desarrollarse en el grupo FMA&ES, por parte de la Coordinación de la
Licenciatura en Física, se desarrolló una primera sesión de trabajo, donde se
estableció un cronograma de actividades a ejecutarse durante el transcurso de los
periodos 2015-1 y 2015-3, siguiendo lo expresado en las actividades del PTG.
3.1. Revisión bibliográfica y análisis conceptual del tema. (30 horas dedicadas)
Esta primera actividad de revisión bibliográfica, contempló el estudio, descripción y
análisis de una serie de documentos, libros y artículos relacionados con los
siguientes temas: Cantidad de horas dedicadas 30.
Concepto de temperatura.
Escalas de medición de la temperatura.
Medida de la Temperatura, e instrumentos de medida.
Sensores y transductores de temperatura. Dispositivos ...
Garitas meteorológicas. Descripción de modelos. Diseño escogido.
Sistemas de adquisición de datos e instrumentación virtual.
Los temas relacionados anteriormente, se resumen en el capítulo anterior sobre
ASPECTOS GENERALES, en el que se incluye la revisión y análisis bibliográfico.
En primera instancia se estudió el concepto de temperatura a partir de diferentes
recursos bibliográficos como libros y artículos. Además de esto se estudiaron las
diferentes formas de medir indirectamente la temperatura y los sistemas de
medición existentes para dicho fin. Se estudiaron los fenómenos físicos asociados a
cada uno de los transductores o instrumentos incluidos y elementos de la física de
semiconductores, los cuales son el principio básico de los termistores NTC y PTC.
Como parte del proceso de formación profesional, se adelantaron y aprobaron
formalmente tres cursos electivos ofrecidos por el grupo FMAES a la Licenciatura en
Física, los cuales son el soporte teórico-experimental en la formación de aquellos
estudiantes que adelantan sus TG con el grupo.
16
Estos cursos se convierten en requisitos del proceso y son: “Principios de Física del
Estado Sólido”, desarrollado durante el periodo 2014 - 1, “Fundamentos y
aplicaciones de energía solar”, desarrollado durante el periodo 2014 - 3 e
“Instrumentación virtual y sistemas de adquisición de datos”, desarrollado durante el
periodo 2015 - 3.
Aunque los dos primeros cursos electivos relacionados, se tomaron con anticipación
a la aprobación de la propuesta de trabajo de grado, no se incluyen dentro de las
horas dedicadas al desarrollo de la pasantía.
3.2. Inventario de elementos, dispositivos y equipos del sistema de monitoreo
de temperatura ambiente y estado de los mismos. (10 horas dedicadas).
Módulos de adquisición Compact Field Point 2020 de la firma National Instruments.
cFP 2020: Compact Field Point 2020. Controlador Robusto e Inteligente en
Ethernet para Compact FieldPoint con Unidad de Disco Desmontable. Con
las siguientes características:
- Controladores en tiempo real, autónomos y embebidos o interfaz Ethernet para E/S distribuida basada en PC.
- 65 MB de almacenamiento CompactFlash no volátil, memoria DRAM de 32 MB. 1
- puertos serial RS485 y 3 RS232 para conexión a periféricos.
- Soporte para el Módulo LabVIEW Real-Time 8.5.1 y anterior
- Soporte para Windows.
FP-AI-100: El módulo cFP-AI-100, es un módulo de entrada analógica de
voltaje y corriente de 8 canales para Field Point
- Maneja 8 entradas de voltaje o corriente con una resolución de 12 bits
- Maneja señales de milivoltios, bajo voltaje, voltaje medio o miliamperios
- Rango de entrada configurable por software (por canal)
- rango de operación de -40 a 70°C
- Operación Hot PnP (plug-and-play)
- Tecnología Plug and Play, simplifica las configuraciones de los dispositivos automatizando el procedimiento de asignación de recursos a los dispositivos instalados
17
FP-TC-120: El Módulo cFP-TC-120 llamado de termopar de 8 canales para
Field Point:
- Mide señales de termopares y milivoltios
- Maneja 8 entradas diferenciales con resolución de 16 bits
- Operación Hot PnP (plug-and-play)
- Rango de operación de -40 a 70°C; rechazo de ruido de 50/60 Hz
- Rango de entrada o tipo de termopar configurable por software por canal.
3.3. Identificación de elementos en deterioro y recuperación operacional. (10
horas dedicadas).
Para la medida de la temperatura, el grupo FMA&ES dispone además de los módulos
de adquisición de datos, del hardware y del software en general de circuitos
electrónicos de acoplamiento y de polarización, para seis termistores NTC de 8,5 kΩ.
El módulo utilizado para la adquisición de la señal de voltaje generada por cada uno
de los circuitos y en particular del termistor como sensor de temperatura es llevada
a uno de los diferentes canales del módulo FP-TC-120, el cual se describe
posteriormente y que es empleado para medir señales de voltaje.
Una vez hechas las revisiones de funcionalidad e inspección física con el propósito de
hallar daños estructurales, tres de estos reguladores de precisión evidenciaron estar
quemados, así como otros componentes electrónicos del mismo circuito. Los
reguladores utilizados para este propósito, son los LM7805 de 5V, que son
dispositivos electrónicos semiconductores, que tienen la capacidad de regular un
voltaje positivo de 5.00 V± 0.01 a 1.0 A de corriente. La mayoría de las instalaciones
y cableado original, a raíz del desmontaje y trasladó sufrió daños irreparables, lo que
hace necesario su reemplazo total.
La figura 5, presenta un diagrama del circuito diseñado para polarizar y garantizar la
estabilidad eléctrica del termistor. Para cada uno de los termistores a emplear se
hace necesario el uso de uno de los reguladores mencionados.
18
A su vez para cada uno de ellos se construyó un circuito en serie (divisor de tensión)
conformado por el termistor NTC de 5KOhm y una resistencia de precisión de 5
kOhm (±1%) cuya función principal, además de establecer el de divisor de voltaje, el
de protección del sistema y la imposición de un límite para la corriente eléctrica; por
su parte, un regulador LM7805 es el encargado de proporcionar la tensión de
entrada estable al divisor de voltaje.
Mediante la polarización con una tensión regulada sobre termistor, se garantiza
estabilidad y confiabilidad en las medidas de temperatura.
Figura 5. Regulador de tensión LM7805
3.4. Instalación y puesta en operación del equipo reparado. (20 horas
dedicadas)
Los tres circuitos anteriormente mencionados fueron reparados y reemplazados, en
particular los reguladores, así como otros dispositivos y resistencias de 5kΩ de
precisión que también se encontraban en deterioro. Se complementó con la revisión
técnica de los reguladores, el estudio de las fichas técnicas, a fin de describir
operacionalmente su función y evitar futuros daños en los mismos. Se detectó que
los daños causados en particular pen los reguladores, se deben básicamente a
cortocircuitos causados en la manipulación y conexión de los mismos.
Una vez polarizados estos circuitos y acoplados al sistema de adquisición de datos
han funcionado en forma satisfactoria, los cuales posteriormente se acoplaron al
módulo de conexión y acoplamiento electrónico.
19
De otra parte, dada la reubicación de equipos en la sede Macarena B y la
correspondiente reinstalación de la estación de medición de variables ambientales,
por parte del grupo de investigación FMAES, fue necesario reemplazar todo el
cableado, dado su deterioro.
La estación de medición FMAES está ubicada en el edificio dedicado a los
laboratorios de Biología, Química de la Facultad de Ciencias y Educación. Las
coordenadas de ubicación son: 4°36´49.1´N¨ - 74°03´55.2¨W, en la que opera el
grupo de investigación FMAES.
De otra parte, el grupo de investigación FMAES, contaba con una garita
meteorológica, diseñada y construida alrededor del año 2011, la cual se representa
en la figura 7, en donde se destaca la presencia del sensor de temperatura, dentro
de la garita.
Figura 6. Representación de la plataforma de la estación de medición de variables ambientales, donde se señala la garita ambiental.
Dadas las dificultades que causan las características del diseño de la anterior garita,
para hacer mantenimiento técnico, se hizo necesario plantear un nuevo modelo que
facilite, la instalación de otros sensores y transductores, así como su mantenimiento.
20
Para el desarrollo de la nueva garita ambiental se realizó un diseño previo con
medidas basadas en la estructura antigua, ya que debido a los traslados e
intervenciones en el lugar de trabajo en la sede Macarena B de la Facultad de
Ciencias y Educación, la garita original sufrió daños en su estructura, que ameritan su
reconstrucción completa.
Se realizó una maqueta a menor escala de la garita ambiental, se modeló en
Coreldraw y Autocad para medidas reales. Finalmente y luego de la adquisición de
los materiales necesarios, se construyó en madera y fue pintada “a poro abierto”,
esto es, con pintura higroscópica, teniendo en cuenta las medidas establecidas,
siguiendo los parámetros establecidos por la OMM. La figura 8, representa el diseño
de la garita construida.
Figura 7. Representación de la plataforma de la estación de medición de variables
ambientales, donde se señala la garita ambiental.
3.5. Presentación y sustentación de las distintas actividades y avances en el
seminario FMA&ES. (30 horas dedicadas).
Parte de las actividades académicas programadas por el grupo FMA&ES, son la
realización de un seminario interno que se desarrolla semanalmente en dos horas y
en el que se realiza la socialización de los avances de cada uno de los diferentes
trabajos vinculados con el grupo de investigación, lo que es importante para dar a
conocer el estado del proyecto y recibir observaciones por parte de los integrantes
del grupo. Cada una de las socializaciones se ha realiza con una presentación en
diapositivas en las que se ponen en común avances y se debate sobre el tema.
21
Se realizó una primera presentación sobre conceptos y reseña histórica del concepto
y medida de la temperatura en el año 2015-1, allí se debatió sobre los personajes en
la historia que aportaron en el estudio y medida de la temperatura, como Galileo, y
en nuestro medio el sabio Caldas.
La segunda presentación se realizó en el mismo periodo de la primera pero esta vez
se puso en común los tipos de instrumentos existentes para medir temperatura,
desde el termómetro de alcohol y mercurio hasta los más sofisticados basados en
principios electrónicos como los dispositivos RTD, termistores, termorresistencias,
termopares, entre otros, haciendo una descripción de los fenómenos físicos
involucrados, en la medida indirecta de la temperatura.
A partir de los conceptos estudiados para cada uno de los diferentes transductores
de temperatura, se evidencian las razones por las cuales se ha optado por emplear,
como transductor de temperatura en este caso, el termistor NTC de 8.5KOhm, el cual
tiene como ventajas estabilidad eléctrica, sensibilidad, estabilidad mecánica, entre
otras. Los principios físicos involucrados en el desarrollo de un termistor NTC y sus
ventajas operacionales, fueron expuestos en una tercera presentación hecha tanto
en los seminarios del grupo FMAES, así como en el curso electivo de Fundamentos y
aplicaciones de Energía Solar.
Durante el periodo 2015-3 se tomó el curso electivo de “Instrumentación Virtual y
adquisición de datos”, como fundamento de formación en temas de programación
en lenguaje grafico en particular en el manejo de LabVIEW y como plataforma de
operación de los módulos de adquisición Field Point de la National Instruments, que
también se desarrolla bajo el software de programación gráfica LabVIEW de National
Instruments. Se desarrollaron diversos Instrumentos virtuales, como producto del
curso, pero en particular fue desarrollado un Instrumento Virtual (un programa en
Labview) con el que se permitiera adquirir datos de temperatura ambiente cada
cinco (5) segundos, se promedie minuto a minuto estas adquisiciones, se promedie
hora y promedio día, a partir de un termistor NTC. Sobre el desarrollo del
instrumento Virtual y en el empleo de LabVIEW, para la medida de temperatura se
hicieron dos presentaciones tanto en el curso, como en el seminario del grupo de
investigación.
22
En el periodo 2016-1 se realizó una serie de presentaciones respecto al
funcionamiento de termistores NTC y PTC, tomando como base los fenómenos
involucrados y descritos a partir de la física de los semiconductores, describiendo el
funcionamiento del termistor como transductor pasivo de energía. A su vez y con
estos recursos se hizo una presentación oral en el evento “XIX semana de la
enseñanza de la física, pg.7”, en el periodo 2016-3 presentando los resultados del
proyecto.
3.6. Estudio y capacitación sobre manejo de LabVIEW como plataforma de
leguaje gráfico. (20 horas dedicadas)
Como se mencionó anteriormente, en el año 2015-3 se desarrolló el curso electivo
de “Instrumentación virtual y adquisición de datos” que durante varios semestres ha
ofrecido el grupo FMAES..
En el mencionado curso, como parte de la formación se diferenció el concepto de
hardware y software en un instrumento virtual. El programa utilizado en dicho curso
para programar fue LabVIEW versión 2015, donde se programó en lenguaje gráfico
un temporizador para un semáforo, inicialmente, seguido del estudio y la
programación de compuertas lógicas, finalizando con un proyecto individual, en el
que se desarrolló el instrumento virtual para adquisición de datos de temperatura.
Como trabajo personalizado y de complemento al curso electivo, se estudió
programación con microchips y se programó un microcontrolador Arduino UNO con
el fin de hacer correr un medidor de temperatura con LabVIEW utilizando un
dispositivo LM35. La eficiencia del dispositivo LM35 es menor a la de un termistor
NTC por esta razón se tomó como base de capacitación y formación, sin embargo, y
dadas las ventajas que brinda el termistor se trabajó sobre el termistor, así como la
base de programación en LabVIEW. Finalmente se obtuvo el Instrumento virtual de
medición de temperatura actual.
3.7. Reconfiguración del software y el hardware involucrados en el instrumento
virtual. (10 horas dedicadas)
Para la reconfiguración del software y el hardware se trabajó inicialmente con
diferentes dispositivos sensores y transductores para desarrollar los y instrumentos
virtuales y establecer la programación en LabVIEW.
23
El sistema de adquisición desarrollado a partir de instrumentación virtual, captura y
permite visualizar los valores de temperatura ambiente generados por el termistor
NTC en tiempo real y su configuración permite exportar valores promedio a
Microsoft Office Excel (u otros formatos), para su posterior análisis estadístico
básico. En el software se tiene la plataforma LabVIEW que utiliza lenguaje gráfico
para su programación y en el hardware la estructura del dispositivo de medición. En
este caso un circuito el cual, comprende un termistor NTC para medir la variación de
temperatura ambiente.
Se ha desarrollado un Instrumento Virtual a partir de la plataforma LabVIEW para
medida indirecta de temperatura, a partir de la transducción en términos de la
variación en la caída de potencial sobre un termistor NTC, que se basa en la variación
de la resistividad del material semiconductor del mismo. Los termistores NTC son
semiconductores tipo n, donde los portadores mayoritarios son electrones que han
sido excitados térmicamente a través de la brecha de energía desde la banda de
valencia hasta la banda de conducción (Gómez & Barrera). Por esta razón, el
comportamiento de la resistencia ante una variación de temperatura de un
dispositivo de este tipo, se describe mediante una curva de pendiente negativa, cuyo
valor suele ser del orden de 0,04/°C. Esta alta sensibilidad hace que precisamente
que hacen de los termistores, dispositivos idóneos para detectar cambios de
temperatura del orden de décimas e incluso centésimas de grado Celsius.
En la práctica, dicha resistencia suele aproximarse tanto por un polinomio como por
una función exponencial decreciente, siendo esta última la más difundida en
prácticas donde se requiere exactitud moderada y viene dada por la expresión:
TT RCRBAT
3lnln1
(1)
Conocida como ecuación de Steinthart – Hart, donde A, B y C son parámetros
empíricos que dependen esencialmente del proceso de calibración y la historia o
histéresis. (Steinthart & Hart, 1968).
24
Figura 8. Variación de la resistencia con la temperatura para diversos tipos de termistores NTC.7
Los termistores poseen una fuerte alinealidad y en particular, en un termistor NTC la
resistencia decrece en forma no lineal ante un incremento de la temperatura, y
como en cualquier resistor, está supeditada a sus dimensiones físicas y la resistividad
del material del que está constituida.
0
0
11
TT
TT eRR
(2)
donde 0TR es la resistencia nominal a una temperatura de referencia (generalmente
25°C), es un número representativo de la sensibilidad del dispositivo y TR es la
resistencia a la temperatura T medida en grados Kelvin (K) (Thumann, Younger, &
Niehu, 2010).
7 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL. Sensores resistivos. p. 14. Disponible en:
http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO2.pdf. Consulta Diciembre
2016.
25
En la figura 10 se observan las curvas de variación de la resistencia con la
temperatura típicas de algunos termistores NTC.
3.8. Revisión y aplicación del software LabVIEW como lenguaje de programación
gráfica para el desarrollo del sistema de adquisición de datos sobre temperatura
ambiente. (10 horas dedicadas)
Dentro de las sesiones de trabajo en el grupo FMAES, se dispuso mucho más del
tiempo proyectado de 10 horas, para realizar prácticas de instalación y configuración
de de LabVIEW, así como de los diferentes programas y plataformas asociadas al
mismo, como los son LabVIEW Real Time, NI-MAX (Measurement & Automation
Explorer) Monitor, LabVIEW para Field Point, entre otros.
De los programas citados anteriormente, se procedió a configurar y detectar en la
interface gráfica cada uno de los diferentes dispositivos asociados a los módulos
Field Point, puertos y sensores. Se instaló el sistema de adquisición de datos de
temperatura en la plataforma LabVIEW, seguido de esto, se desarrolló e instaló el
circuito en esta plataforma con el fin de obtener gráficos estadísticos sobre la
variación de la temperatura.
El sistema Compact FieldPoint es una plataforma de medición y automatización o
controlador automático programable (PAC), que ofrece un conjunto que va desde los
cuatro a los ocho módulos de Entrada/Salida (E/S) análogos o digitales y que puede
ejecutar LabVIEW REAL–TIME realizando análisis, registro, almacenamiento y
comunicación por red de datos ayudado por una conexión Ethernet. Compact Field
Point opera en un rango de temperatura que va desde los -25ºC hasta los 60ºC,
ofreciendo condiciones extremas al ambiente que otros módulos no soportarían;
está constituido por un sólido plano posterior de metal, que suministra un camino
seguro para las descargas electrostáticas y soporte para la interferencia
electromagnética típica en procesos industriales.
3.9. Adaptación y actualización del instrumento virtual para el mejoramiento
del sistema de adquisición de datos de temperatura. (10 horas dedicadas)
Dentro de los componentes adicionales y de actualización, frente al instrumento
virtual anteriormente empleado para la medición de temperatura, están varios sub-
instrumentos virtuales.
26
Estos permiten además del cálculo de los promedios hora y día, el de exportación de
en archivos diarios en MO-Excel, como base de datos de estos promedios. En la
siguiente sección se describe el Instrumento Virtual mejorado y adaptado a las
nuevas necesidades de adquisición y manejo estadístico de datos para la medida de
la temperatura, la nueva interface gráfica, que le da una presentación visual
diferente, se hace más atractiva al usuario. Una de las grandes ventajas de hacer
programación libre con LabVIEW, es el hecho de que se puede mejorar, tanto en los
procesos de adquisición y análisis de datos como de la presentación grafica de los
instrumentos.
3.10. Calibración, instalación y puesta en operación del sistema de monitoreo de
temperatura ambiente. Formación y capacitación en el análisis estadístico sobre el
manejo de datos. (10 horas dedicadas).
En la Figura 1, se presenta el diagrama de conexión del Instrumento Virtual,
desarrollado en LabVIEW, para la medida de la temperatura. En este diagrama se
puede destacar cinco grandes estructuras, en la que a medida en que se da el flujo
de datos, van cumpliéndose los diversos procesos estadísticos, para llevarse a la
interface gráfica, esto es, al panel frontal que se presenta en la Figura 10, y en cada
caso se exporta cada uno de los datos de promedios obtenidos por el IV a la base de
datos construida en MO. Excell.
Figura 9. Diagrama de conexiones del instrumento desarrollado para la medida de la temperatura ambiente.
27
Por su parte, en la Figura 10, se presenta la imagen del panel frontal del Instrumento
Virtual desarrollado para la adquisición de datos de temperatura. Se puede
visualizar, dentro de la representación gráfica, no solo el comportamiento de la
temperatura, cada 5 segundos, esto particularmente dado a que se debe dejar un
tiempo de relajación térmica y eléctrica, conocido así como tiempo de respuesta,
sino también, un ícono que emula dinámicamente la magnitud de la temperatura en
un termómetro, así mismo se presentan gráficamente los promedios Hora y los
promedios día, a fin de visualizar directamente por parte de los usuarios el histórico
del comportamiento de la temperatura en días anteriores, al momento actual de la
adquisición y por último, también se presenta numéricamente en el panel frontal del
IV, la magnitud y el minuto de temperatura. Se brinda igualmente la posibilidad de
registrar y visualizar la temperatura máxima y mínima, en cada período hora y día
respectivamente.
Figura 10: Panel frontal del instrumento Virtual desarrollado para la medida de la
temperatura ambiente.
Para el proceso de calibración del instrumento virtual, para la medida de la
temperatura, se procedió a seguir un protocolo empleado anteriormente, y es
utilizar un sistema de referencia calibrado, en este caso un sistema (equipo) para la
medida de temperatura, que posee una a resistencia de platino RTD, con el cual, a la
vez de medir la temperatura, simultáneamente y mediante un ohmímetro FLUKE
también calibrado, se midió la resistencia eléctrica del termistor. El resultado de este
proceso se evidencia en la Figura 11.
28
Figura 11: Medida de la resistencia óhmica del termistor 5KOhm en función de la
temperatura.
Escogiendo tres pares de datos de resistencia eléctrica y temperatura de la gráfica
anterior, se empleó la ecuación de Steinhart-Hart para resolver un sistema de tres
ecuaciones con tres incógnitas:
)0.26100(ln)0.26100ln(9.273
1 3CBA (3)
)0.10280(ln)0.10280ln(3.298
1 3CBA (4)
)0.3900(ln)0.3900ln(0.323
1 3CBA (5)
Con las cuales se obtuvo los siguientes valores para las constantes de Steinhart-Hart:
3
5
6
103111.2
103230.2
100485.1
C
B
A
(6)
Los valores de estas constantes son empleados como parámetros de calibración y
ajuste en el IV de adquisición de datos de temperatura ambiente. Para configurar y
completar el proceso de calibración del IV desarrollado para medición de
temperatura, este fue empleado para hacer mediciones en rangos desde -14 °C hasta
40° C en contraste y como equipo de referencia, el RTD. Los resultados de este
proceso se presentan en la Figura 12.
29
Figura 12: Correlación de las medidas de temperatura obtenidas a partir del IV desarrollado,
en función de la medida de temperatura obtenidas a partir de un equipo RTD, como referencia.
3.11. Análisis de los datos registrados durante al menos tres meses de
adquisición. (20 horas dedicadas)
Con la adquisición de datos de temperatura que se realiza a partir del Instrumento
Virtual desarrollado, el cual adquiere un dato cada cinco (5) segundos, y que luego
de doce (12) iteraciones, calcula el promedio, esto es, al completar un (1) minuto,
promedia las doce (12) adquisiciones, el mismo instrumento virtual, los lleva a una
gráfica de temperatura en función del tiempo; adicionalmente guarda en dicho
promedio en un archivo MO-Excel, así como el instante (tiempo) en que se guarda.
De esta forma se han venido construyendo diversas bases de datos de temperatura y
otras variables. A manera de ejemplo, la Figura 13 representa los datos capturados
para dos días de un total de 42 días de adquisición de datos.
Como se puede observar las temperaturas amas altas se adquieren en las horas del
medio día, comportamiento que se repite a diario. Por su parte, las temperaturas
más bajas se obtienen en las horas de las madrugadas alrededor de las 05 horas. En
general, se tienen variaciones de temperatura, con incremento y disminuciones, en
forma continua, respondiendo a su vez básicamente a la intermitencia de la
nubosidad y a la incidencia de la radiación solar.
30
Como se puede observar, se obtienen picos de temperaturas altas, así como mínimos
en la temperatura, por lo que se pueden establecer estadísticas de temperaturas
mínimas, temperaturas promedio y temperaturas máximas por día o por fracciones
de día. Estas temperaturas se destacan en cada uno de los días de adquisición, como
se muestra en la Figura 13.
Figura 13. Curva de Temperatura ambiente vs. Hora del día para el 04 de marzo de
2015.
3.12. Interpretación, análisis y correlación estadística de los resultados respecto a
reportes oficiales. (24 horas dedicadas).
Ante diferentes eventos causados por el traslado de la estación FMAES, y las
continuas instalaciones y des-instalaciones, a los sistemas de adquisición de datos,
que han afectado la continuidad en la construcción de las bases de datos, se
contempló a mediados del 2014 la reconfiguración y reinstalación de dichos sistemas
de adquisición, que incluyera a su vez la actualización de la plataforma software, así
como la re-calibración de todos y cada uno de los diferentes componentes de la
estación y el mejoramiento de los diferentes instrumentos virtuales asociados.
Una vez puesta en operación el sistema de adquisición para la medida de
temperatura a finales del 2015 en su fase de prueba y antes de determinarse la
intervención de la cúpula en el mes de marzo de 2016, en donde se encuentran los
espacios físicos donde se desarrollan las actividades del grupo FAMES, se adquirieron
datos de temperatura ambiente y otras variables en forma preliminar durante 52
días, en forma continua desde el 18 de enero de 2016 al 12 de marzo de 2016. Cabe
destacar que no fue posible para ese momento construir la garita meteorológica, con
lo que se completarían los compromisos adquiridos.
31
La información es tomada cada cinco (5) segundos y promediada cada 12
adquisiciones, esto es, se obtiene un promedio cada minuto durante las 24 horas.
A partir de la base de datos es posible analizar el comportamiento de la temperatura
diaria, mensual y anual en series de tiempo, esto siempre que se garantice la
estabilidad en la operación continua de los sistemas de medición. La Figura 14
presenta el mes de febrero de 2016, el cual se obtuvo en forma completa, antes de
que se intervinieran las áreas donde opera el grupo FMAES. Se puede observar el
comportamiento de las temperaturas mínimas, promedio y máximas diarias para el
mes de febrero de 2016.
Figura 14. Panel frontal del instrumento Virtual desarrollado para la medida de la temperatura ambiente.
Este tipo de resultados en las mediciones de variables meteorológicas y en particular
la temperatura ambiente, son de vital importancia en los pronósticos ambientales,
ya que si se registran a diario y detalladamente durante varios años, estableciendo
series de tiempo, se puede predecir el comportamiento del clima, con bastante
certeza.
3.13. Presentación de avances y resultados en un evento nacional. (20 horas
dedicadas). (20 horas dedicadas).
A partir de los resultados obtenidos se preparó un trabajo para ser socializado en la
XIX SEMANA DE LA ENSEÑANZA DE LA FISICA, la cual se desarrolló entre el 24 y el 28
de Octubre de 2016.
32
El trabajo presentado como ponencia oral titulado “DESCRIPCIÓN Y DESEMPEÑO DE
UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA AMBIENTE A PARTIR DE
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL” fue reconocido como una de las mejores ponencias
del evento. En los ANEXOS se presenta el certificado de participación con la ponencia
en el evento mencionado.
Mediante esta ponencia se socializó el diseño y la arquitectura del Instrumento
Virtual desarrollado, actualizado y ajustado respecto a la anterior versión para la
medida de la temperatura ambiente, igualmente se hizo descripción de los
parámetros de operación del sistema de adquisición, los mecanismos físicos y
fenómenos asociados al funcionamiento del termistor como transductor de
temperatura, las características del circuito eléctrico que soporta la operación del IV,
así como, una descripción básica estadística de datos, resultados de la medición de la
temperatura ambiente , a partir del IV desarrollado.
3.14. Preparación y presentación de artículo para posible publicación en una
revista de carácter científico.
Tomando como base el trabajo preparado para la ponencia a ser presentada en la
XIX SEMANA DE LA ENSEÑANZA DE LA FISICA, se desarrolló un artículo, que ha sido
complementado con los análisis de las últimas realizadas a finales del 2015 y
comienzos del 2016. Este artículo puede verse en los ANEXOS, al final de este
documento.
3.15. Redacción y presentación informe final.
Se han cumplido las actividades programadas, no sin antes mencionar las profundas
dificultades y tropiezos en el desarrollo de este al igual que otros varios trabajos
programados por el grupo FMAES, para la puesta en operación de la estación de
medición, dada la intervención del espacio en el que operan los equipos de
adquisición de la estación, así como donde se cumplen las actividades de
investigación. Las actividades fueron interrumpidas a comienzos del mes de marzo
de 2016, sin que a la fecha en el mes de abril de 2017, se haya entregado
oficialmente y condiciones básicas de funcionamiento dichas instalaciones. Aun así,
se hace entrega de este informe, con lo más relevante de las actividades
desarrolladas.
33
3.16. Oportunidades de Mejora.
Todo el sistema de medición de temperatura configurado y desarrollado a partir de
la plataforma LabVIEW es susceptible de modificarse, o de acondicionarse, según las
necesidades de los usuarios. En cuanto al sistema desarrollado para la medición de
temperatura ambiente, se recomienda una calibración al menos una vez cada seis
meses, ya que por humedad, así como por autocalentameinto, puede alterarse la
medición. Aunque el grupo FMAES, cuenta con una base de datos de temperatura
que desde comienzos del 2008 se ha alimentado y hasta el 2016 en el mes de marzo
que se interrumpió, era necesario realizar los ajustes y puesta en operación de una
nueva garita meteorológica que recepciones los diferentes dispositivos y
transductores empleados en la estación. Se plantea como oportunidad de mejora
estudiar la viabilidad de implementar un sistema de generación de energía a partir
de energía solar, cuyo objetivo sea satisfacer la demanda de energía para los equipos
de laboratorio, equipos electrónicos que se encuentran en el laboratorio FMAES de
la Macarena B.
34
4. CONCLUSIONES
Este trabajo permitió desarrollar y mejorar las habilidades y herramientas
básicas adquiridas durante la formación profesional, sin embargo fue necesario
ampliar conocimientos y conceptos en especial sobre dispositivos semiconductores,
sus propiedades y características, así como también en temas de instrumentación
virtual.
De otra parte, se ha actualizado, recalibrado y puesto en operación un sistema de
adquisición de datos de temperatura ambiente basado en el software de
programación gráfica LabVIEW, el cual puede operar permanente e ininterrumpida.
Se emplean termistores como transductores de temperatura, dispositivos
semiconductores que brindan estabilidad mecánica como eléctrica, versátiles y de
fácil uso, que integrado al sistema de adquisición cumple funciones como
visualización en tiempo real y la posibilidad de llevar a cabo análisis estadístico
básico, razones por las cuales constituye una valiosa herramienta para la futura
investigación de los cambios térmicos del aire.
35
5. BIBLIOGRAFÍA.
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6. ANEXOS
La Figura 14, muestra el certificado de participación con la ponencia “DESCRIPCIÓN Y
DESEMPEÑO DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA
AMBIENTE A PARTIR DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL” presentado en el evento de la
Semana de la Enseñanza de la Física, 2016.
Figura 15: Certificado de participación como ponente en la XIX SEMANA DE LA ENSEÑANZA
DE LA FISICA, 2016.
A continuación se muestra el trabajo desarrollado y presentado como ponencia en el
citado evento.
XVI Semana de la Enseñanza de la Física 1
XVI Semana de la Enseñanza de la Física Memorias SEF Vol. 2: 1-4 (2013)
DESCRIPCIÓN Y DESEMPEÑO DE UN SISTEMA DE
ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA AMBIENTE A
PARTIR DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL
Modalidad Ponencia
Julieth Bravo1, Nelson L. Forero1
1Universidad Distrital Francisco José de Caldas,
Grupo de física del Medio Ambiente y Energía Solar - FMAES
Recibido: xxxx Aceptado: xxxx Publicado: xxxx
Todos los derechos reservados SEF©2013
Abstract. A system of data acquisition for measure of the ambient temperature from virtual
instrumentation, based on LabVIEW graphical programming software and acquisition modules,
both of the National Instruments have been operating for years in the Macarena A of the
Universidad Distrital. The system uses as element transducer temperature, a semiconductor
device called Thermistor NTC, which measures ambient temperature are recorded.
Keywords: Maxwell-Boltzmann Distribution, Ideal gas kinetic theory, physics education.
Resumen. Un sistema de adquisición de datos para la medida de la temperatura ambiente a partir
de Instrumentación virtual, basado en el software de programación gráfica LabVIEW y módulos
de adquisición, ambos de la National Instruments ha venido operando durante los últimos años en
la sede Macarena A de la Universidad Distrital. El sistema emplea como elemento transductor de
temperatura, un dispositivo semiconductor denominado Thermistor NTC, con el que se registran
las medidas de temperatura ambiente.
Descriptores: LabVIEW, Instrumentación Virtual, Temperatura ambiente.
1. Introducción
La parte esencial del sistema de adquisición de datos bajo la Instrumentación Virtual, es el
software de programación gráfica LabVIEW [1] que tiene como objetivo, capturar, analizar y
visualizar los valores de temperatura ambiente generados por a partir de un Thermistor NTC en
tiempo real. Su configuración permite exportar los valores promedio por minuto a una plantilla de
M.O Excel. Este proceso se viene desarrollando desde el año 2008 dando inicio a la construcción
XVI Semana de la Enseñanza de la Física 2
de una base de datos de temperatura Ambiente, que junto a la medida de otras variables
atmosféricas y ambientales permiten diagnosticar y evaluar el recurso energético solar, el
desempeño de sistemas de captación de energía solar térmica y fotovoltaica en forma localmente
desde la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, trabajo que cumple el grupo de Física
del Medio Ambiente y Energía Solar – FMAES.
2. Aspectos generales
Los termistores son dispositivos transductores pasivos, pues requieren potencia externa
(excitación) para generar su señal y otorgan lecturas de resistencia eléctrica asociadas a cambios
en la temperatura del medio circundante; esencialmente se construyen a partir de mezclas de
óxidos metálicos conglomerados de los metales de transición en la tabla periódica (cromo, hierro,
manganeso, cobalto, níquel, selenio, titanio, uranio o mezclas sinterizadas consistentes el polvos
metálicos de sulfatos), que poseen una resistividad bastante elevada, y que a su vez pueden
transformarse en variadas presentaciones amorfas de materiales semiconductores mediante la
adición de pequeñas cantidades de otros iones de distinta valencia.
En los materiales semiconductores, la brecha energética (Eg) entre las bandas de valencia y
conducción es de aproximadamente 1 eV. En este tipo de sólidos, todos los electrones se
encuentran en la banda de valencia y por tanto, la conducción es muy pobre a temperaturas bajas,
pero a temperaturas ordinarias (como la temperatura ambiente), un número considerable de
electrones son excitados térmicamente desde la banda de valencia hasta la banda de conducción,
dada la relativa cercanía entre ambas, y que el nivel de Fermi se encuentra localizado cerca de la
parte media del gap, como se describe en la figura 1.
Figura 1: Diagrama de bandas característico de un material semiconductor.
Como la excitación térmica a través de la brecha es más probable a temperaturas más altas, la
conductividad de los semiconductores aumenta rápidamente con la temperatura, hecho que
contrasta con el comportamiento de los metales, donde la conductividad decrece lentamente con
la temperatura. Mediante la adición de impurezas a semiconductores puros, proceso denominado
dopaje, es posible aumentar la conductividad de esto materiales. A los semiconductores dopados
con átomos que seden electrones (donadores) se les denomina semiconductores tipo n, puesto que
la mayor parte de los portadores responsables de la conducción son electrones. Existen dos
grupos de termistores, en los cuales el criterio de clasificación se ha establecido de acuerdo a si la
resistencia del dispositivo aumenta o disminuye con el incremento en la temperatura:
PTC (Positive Temperature Coefficient). Termistores con coeficiente de temperatura positivo.
Son dispositivos que sufren un aumento en la resistencia con el aumento de la temperatura a la
XVI Semana de la Enseñanza de la Física 3
que son sometidos. Así, cuando el dopado de los semiconductores es muy intenso, éstos
adquieren propiedades de coeficiente positivo en un rango limitado de temperaturas, mientras que
fuera de él es negativo o nulo.
NTC (Negative Temperature Coefficient). Termistores con coeficiente de temperatura
negativo. Son dispositivos que sufren una disminución en la resistencia con el aumento de la
temperatura a la que son sometidos. De este modo, ante un incremento en la temperatura, el
número de portadores (en este caso electrones de valencia) aumenta y consecuentemente, la
resistencia eléctrica disminuye. Los termistores NTC presentan una alta resistencia eléctrica a
bajas temperaturas.
En la figura 2 se ilustran los comportamientos típicos de la resistencia en función de la
temperatura para ambos tipos de termistor.
Figura 2: Curvas características típicas R vs. T para los termistores NTC y PTC respectivamente. [2]
Los termistores NTC son semiconductores tipo n, donde los portadores mayoritarios son
electrones que han sido excitados térmicamente a través de la brecha de energía desde la banda
de valencia hasta la banda de conducción (por ejemplo, al dopar el óxido férrico y sustituir
algunos iones de Fe3 por Ti4, se obtiene un semiconductor tipo N). [3]
2. Diseño del instrumento virtual y resultados
La integración de software, hardware (PC), los sensores o transductores indicados y la
electrónica adecuada componen un instrumento virtual. El instrumento virtual cuenta con un
Thermistor NTC de 8KOhm, Interfaz controladora cFP-2020, Módulo de adquisición cFP-
TC120, Bloque conector cFP-CB3, Bloque de soporte cFP-BP8, fuente de alimentación PS-5,
software de instrumentación virtual LabVIEW versiones 8.2 y 8.5 y dos ordenadores para el
almacenamiento y visualización de registros. El sistema opera en la terraza del laboratorio del
Grupo de Física del Medio Ambiente y Energía Solar. La configuración de los componentes del
Compact Field Point, para ejecutar las aplicaciones de monitoreo, adquisición, control y
procesamiento de datos se hace mediante la plataforma MAX (Measurement & Automation
Explorer) provista por National Instruments.
La figura 3, muestra la imagen del diagrama de conexiones del instrumento Virtual desarrollado
para el sistema de adquisición en mención. Con este diagrama se organizan las estructuras lógicas
XVI Semana de la Enseñanza de la Física 4
y matemáticas que permiten la adquisición, procesamiento, exportación y visualización de los
registros en pantalla.
Figura 3: Diagrama de conexiones del instrumento desarrollado para la medida de la temperatura
ambiente.
Por su parte el panel frontal, producto de las conexiones establecidas en el diagrama de bloques,
se ilustra en la figura 4. En él, se presenta esencialmente las variaciones de la temperatura en
tiempo real como un historial gráfico de los promedios de temperatura obtenidos por minuto.
Figura 4: panel frontal del instrumento Virtual desarrollado para la medida de la temperatura ambiente.
XVI Semana de la Enseñanza de la Física 5
Con la exportación de los datos captados por el Instrumento Virtual segundo a asegundo y
promediados minuto a minuto, los cuales se exportan a MS-Excel, se generan gráficos como los
mostrados en la figura 5, para el día 24 de marzo de 2015.
Figura 5: Curva de Temperatura ambiente vs. Hora del día para el 04 de marzo de 2015.
4. Conclusiones
Se ha desarrollado, calibrado y puesto en operación un sistema de adquisición de datos de
temperatura ambiente basado en el software de programación gráfica LabVIEW y que emplea un
Thermistor NTC de 8KOhm, con lo que se crea bases de datos correspondientes en MS-Excel,
que posibilita el posterior tratamiento y análisis estadístico.
Se ofrece un método innovador para la adquisición, almacenamiento y análisis de datos,
puesto que no implica la manipulación por parte de un operador de los mismos, como es común
en los sistemas especializados en la medición de temperatura ambiente.
Referencias
[1] Chacón, R. La Instrumentación Virtual en la Enseñanza de la Ingeniería Electrónica. [En
línea] < http://www.saber.ula.ve/.pdf.> [citado en 08 de Junio de 2015]
[2] Gettys, W. Edward, Frederick J. Keller y Malcolm J. Skove. Física clásica y moderna.
McGraw-Hill Interamericana de España, S.A. (1991) p. 1133.
[3] Gómez, Rodrigo Javier y Fabián Alejandro Barrera. Componentes e instrumentación de
control: Medición de temperatura y linealización de un termistor. Universidad Nacional
de La Matanza. p. 1
