Termometro análogo – digital digital
Thermometer analogue – digital digital –
TermÔmetro analógico digital Charles Alexis Bautista* Walter Yesid Malaver** Luis Gabriel Pulido***
Resumen El termómetro es un instrumento que sirve para medir la temperatura; uno de los más comunes es el de mercurio el cual está formado por un tubo capilar de vidrio cerrado. En la actualidad los termómetros de mercurio han quedado en el pasado y se han empezado a utilizar termómetros electrónicos: análogos y digitales. Los termómetros análogos de bulbo son los más precisos que podemos encontrar en el mercado, estos son utilizados comúnmente en hornos, debemos tener en cuenta que deben ser manipulados con suma delicadeza; por otro lado, tenemos los termómetros digitales los cuales son más costosos, pero tienen muchas ventajas: un tiempo de respuesta muy rápido y una variedad de opciones múltiples que se le pueden adaptar. Palabras clave: Temperatura, termómetro, análogo, digital, medición.
Abstract The thermometer is an instrument used to measure temperature; One of the most common is mercury which is formed by a closed glass capillary tube. Currently mercury thermometers have been in the past and electronic thermometers have been started: analogue and digital. The analogous bulb thermometers are the most accurate that we can find in the market, these are commonly used in ovens, we must bear in mind that they must be handled with extreme delicacy; On the other hand, we have digital thermometers which are more expensive, but have many advantages: a very fast response time and a variety of multiple options that can be adapted. Keywords: Temperature, thermometer, analog, digital, measuring.
________________________ * Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (Tunja-Boyacá, Colombia).
[email protected] ** Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (Tunja-Boyacá, Colombia).
[email protected] *** Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (Tunja-Boyacá, Colombia).
[email protected]
1 Facultad de Ingeniería Electrónica.
Resumo O termômetro é um instrumento usado para medir a temperatura; Um dos mais comuns é o mercúrio, que é formado por um tubo capilar de vidro fechado. Atualmente, os termômetros de mercúrio foram no passado e os termômetros eletrônicos foram iniciados: analógicos e digitais. Os termômetros de bulbo análogos são os mais precisos que podemos encontrar no mercado, estes são comumente usados em fornos, devemos ter em mente com extrema Por outro lado, temos termômetros digitais queque sãoeles maisdevem caros, ser masmanuseados têm muitas vantagens: um delicadeza; tempo de resposta muito rápido e uma variedade de múltiplas opções que podem ser adaptadas. Palabras clave: Temperatura, termômetro, analógico, digital, medição.
OBJETIVOS Objetivos Generales Implementar un “Termómetro “Termómetro análogo-Digital ” para cualquier tipo de aplicación que se requiera. Crear un termómetro con una alta precisión gracias a sus valores digitales y análogos.
Objetivos específicos Hacer uso de Arduino y de su ID para la adaptación del circuito digital del termómetro. Realizar la debida adaptación del galvanómetro para la parte análoga del termómetro. Amplificar la señal del LM35 utilizando un amplificador de tipo configuración no inversora, y así obtener una ganancia adecuada.
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I. INTRODUCCION
El termómetro es un instrumento de medición de temperatura. Desde su creación ha evolucionado a lo largo del tiempo, principalmente desde la invención de los termómetros análogos y digitales. Los primeros termómetros se realizaban con materiales con un coeficiente de dilatación elevado, el más común es el mercurio, aunque también se utilizan otros tipos de alcoholes para te termómetros rmómetros más grandes. Los termómetros análogos son aquellos que nos permiten la medición de temperatura a escala graduada, con diferentes exactitudes y confiabilidad. Instanciado en varios componentes como el galvanómetro de bobina, móvil. El termómetro análogo nos arroja valores de tensión por medio del sensor lm35 las cuales varían de forma continua en el tiempo y puede tomar valores finitos a diferencia del termómetro digital el cual nos permite tomar valores discretos. Los termómetros digitales son aquellos que tienen la capacidad de percibir cambios de temperatura de manera lineal. El termistor es un dispositivo electrónico que varía su resistencia en función de su temperatura. Por otra parte, existen termómetros que funcionan con ayuda de un circuito integrado y un termistor como es el caso del Lm35, el cual presenta cambios de voltaje en función de la temperatura y puede configurarse con ayuda de un microcontrolador y un amplificador operacional para el ajuste de su escala, ya sea en grados Celsius, Fahrenheit o Kelvin. II. MATERIALES
Galvanómetro bobina móvil Pantalla display lcd 2x16 Sensor de temperatura lm35 Arduino(uno) Amplificador operacional lf351 Resistencias: 220Ω 220Ω 1k Ω Trimmer: 20k Ω Potenciómetro: 1k Ω Conectores banana hebra Conectores banana macho Borneras conector tornillo de dos pines Caja superficial 17*11 cm Baquelita
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III. MARCO TEORICO Sensor de temperatura analógico LM35.
Definición: El LM35 es un sensor de temperatura de buenas prestaciones a un bajo precio. Posee un rango de trabajo desde -55ºC hasta 150ªC. Su salida es de tipo analógica y lineal con una pendiente de 10mV/ºC. El sensor es calibrado de fábrica a una precisión de 0.5ºC. [1] Es un sensor muy popular por su fácil uso y variadas aplicaciones. No necesita de ningún circuito adicional para ser usado. Se alimenta directamente con una fuente de 5V y entrega una salida analógica entre 0V a 1.5V. Este voltaje analógico puede ser leído por el ADC de un microcontrolador como PIC o Arduino. Entre sus aplicaciones podemos encontrar termómetros, termostatos, sistemas de monitoreo y más. [1]
Especificaciones Especificaci ones técnicas:
Voltaje de Operación: 4V – 4V – 30V 30V (5V recomendado) Rango de Trabajo: -55℃ -55℃ hasta +150℃ +150℃ Precisión en el rango de -10°C hasta +85°C: ±0.5°C Pendiente: 10mV / ºC Bajo consumo energético: 60uA No necesita componentes adicionales Pines: +VCC, V salida, GND Baja impedancia de salida. [1]
Display LCD 16×2
Los displays LCD diseñados para interactuar con circuitos integrados, de entrada, ent rada, de 4/8 bits en paralelo, basados en el controlador H i tach chii H D 44 4478 780. 0. Estos se caracterizan principalmente por el número de caracteres que son capaces de representar, que viene dado en su datasheet generalmente por unos números del tipo “8×1″, “16×2″, “20×4″, que filas”, así pues, pues, un display LCD 16×2, es capaz de significan Número de caracteres x Número de filas”, “
representar 2 filas de 16 caracteres. [2] Estos display se controlan muy fácilmente con una placa Arduino o un PIC y muy pocas líneas de código. códi go. Para ello veamos sus pines para saber cómo se conectan:
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Figura 1. Descripción de la LCD [2] [2] https://electronicavm.files.wordpress.com/2011/06/lcd23.png
– Pin Pin 1 – Vss: Vss: GND o tierra. – Pin Pin 2 – Vdd: Vdd: Alimentación Vcc o +5V. (Algunos pueden alimentarse a 3 Vcc) – Pin Pin 3 – V0: V0: Control del contraste del display, conectamos con ectamos este pin al terminal variable de un potenciómetro conectado a Vcc y Masa en sus terminales extremos. – Pin Pin 4 – RS: RS: Selección de Registro. 0 lógico: Registro de comandos (escritura), 1 lógico: Registro de datos (escritura, lectura) – Pin Pin 5 – R/W: R/W: 0 lógico: Escritura del LCD. 1 Lógico: Lectura del LCD. – Pin Pin 6 – Enable: Enable: El famoso Enable de casi todos todo s los componentes de la electrónica digital. Un 1 lógico señala el inicio de escritura o lectura del LCD, un 0 lógico, desactiva todas las funciones. – Pin Pin 7-10 – D0/D3: D0/D3: Pines correspondientes al bus de datos. D0 corresponde al bit menos significativo. Estos pines no se utilizan si realizamos operaciones sobre el LCD de 4 bits. – Pin Pin 11-14 – D4/D7: D4/D7: Pines correspondientes al bus de datos. D7 corresponde al bit más significativo y puede utilizarse como “Busy Flag”, Flag”, si leemos sobre este pin, un 1 lógico nos indicará que el LCD se encuentra ocupado, no permitiéndonos realizar ninguna operación hasta que se deshabilite.[2]
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ARDUINO UNO.
Arduino Uno es una placa electrónica basada en el microcontrolador ATmega328. Cuenta con 14 entradas/salidas digitales, de las cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM (Modulación por ancho de pulsos) y otras 6 son entradas analógicas. Además, incluye un resonador cerámico de 16 MHz, un conector USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP y un botón de reseteado. La placa incluye todo lo necesario para que el microcontrolador haga su trabajo, basta conectarla a un ordenador con un [3] cable USB o a la corriente co rriente eléctrica a través de un transformador. transformador. [3]
Características Característic as técnicas de Arduino Uno r3 r3
Microcontrolador: ATmega328. Voltaje: 5V. Voltaje de entrada (recomendado): 7-12V. Voltaje de entrada (limites): 6-20V. Digital I/O Pins: 14 (de los cuales 6 son salida PWM). Entradas Analógicas: 6. DC Current per I/O Pin: 40 mA. DC Current parar 3.3V Pin: 50 mA. Flash Memory: 32 KB (ATmega328) de los cuales 0.5 KB son utilizados para el arranque. SRAM: 2 KB (ATmega328). EEPROM: 1 KB (ATmega328). Clock Speed: 16 MHz. [3]
GALVANOMETRO
El galvanómetro es un instrumento de medición eléctrica que se utiliza para determinar y detectar la intensidad y también el sentido de una corriente eléctrica. Para esto aprovechan la desviación que una aguja magnética produce. [4] El funcionamiento de un galvanómetro se basa en una aguja indicadora que se conecta mediante un resorte al eje de una bobina rectangular, la cual se encuentra suspendida gracias al efecto de dos polos opuestos de un imán permanente. [4] La corriente que se quiere medir comienza a circular por la bobina rectangular plana. Esta bobina al encontrarse entre un campo magnético de un imán permanente comienza a girar sobre un eje vertical, haciendo desenroscar el resorte en espiral. [4]
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Tipos de galvanómetro Existen dos tipos de galvanómetro según los mecanismos meca nismos internos. Estos son: Imán móvil: En este caso la aguja está conectada a los imanes que son los qu quee se mueven cuando la corriente comienza a circular por la bobina, que en este caso es fija. Cuadro móvil: Es el tipo de galvanómetro que desarrollamos en los párrafos anteriores. En este
caso la aguja está conectada a la bobina que gira cuando la corriente comienza a circular por ella. [4] IV. PRUEBAS DE CAMPO
En la Tabla 1 se observan los valores v alores de la primera toma de datos de la prueba de linealidad realizada al termómetro y al termómetro del laboratorio que sería nuestro instrumento guía calibrado. Tabla 1 Primera toma de datos de linealidad
T.Digital
T. Análogo
T.laboratorio T.laboratorio
23,95
24
27,86
27
50,34
51,6
75,76
76,1
100
98,48
23,5 27,53 51,2 74,98 99,86
En Figura 2 se puede ver a detalle el comportamiento de la linealidad del termómetro análogo-digitallaboratorio, en la primera toma de datos.
Chart Title 350 300 250 200 150 100 50 0 1
2 T.Digital
3 T. Análogo
4
5
T.laboratorio
Figura 2. Primera toma de datos de linealidad. T. di digital, gital, T. análogo, T.Laboratorio
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En la Tabla 2 se encuentran los datos tomados en la segunda prueba de linealidad de los diferentes termómetros. Tabla 2. Segunda toma de datos de linealidad
T. Digital
T. Análogo
T .laboratorio .laboratorio
26,88
26
49,38
50
50,34
51
75,27
75
100
98,7
26,54 50,1 51,08 75,45 99,5
En la Figura 3 se observa la gráfica de linealidad de la segunda toma de datos de los termómetros análogodigital-laboratorio.
Chart Title 400 300 200 100 0 1
2 T. Digital
3 T. Análogo
4
5
T .laboratorio
Figura 3. Segunda toma de datos de linealidad. linealidad. T. digital, T. análoga, análoga, T laboratorio.
La Tabla 3 nos muestran los datos obtenidos en la tercera prueba de linealidad de los diferentes termómetros. Tabla 3. Tercera toma de datos de linealidad
T. Digital
T. Análogo
24,93
25
29,81
29
50,73
51
101,2
100
74,96
75,3
T.laboratorio T.laboratorio 25,1 30 50,56 100,4 75,1
La figura 4 representa el comportamiento de la linealidad de la tercera toma de datos de la linealidad de los termómetros análogo-digital-laboratorio.
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Chart Title 400 300 200 100 0 1
2 T. Digital
3 T. Análoga
4
5
T.laboratorio
Figura 4. Segunda toma de datos de linealidad. linealidad. T. digital, T. análoga, T laboratorio.
V. PROCEDIMIENTO A. Procedimiento de pruebas
Para nuestras pruebas de campo o datos de medición de nuestro termómetro análogo-digital no basamos en el termómetro de laboratorio laboratorio ya calibrado dando una confiabilidad a la hora de ver la linealidad de nuestro instrumento de medida.
Figura 5. T laboratorio laboratorio calibrado “fluke” “fluke” https://www.fi https://www.finaltest.com.mx/ naltest.com.mx/v/vspfiles/photos/FLUK v/vspfiles/photos/FLUKE-64-MAX-2T.jpg E-64-MAX-2T.jpg
B . Procedimiento Digital P anta antall lla a lcd lcd:: en nuestra pantalla digital lcd (Figura 6) visualizaremos el valor de la temperatura, la cual tiene de un rango de 0 a 180 grados Celsius. Gracias a nuestro código instanciado con la ayuda del software de arduino observamos dicha temperatura con una resolución de 5 bits.
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Figura 6. Pantalla lcd
Programación: El código utilizado para el funcionamiento del termómetro digital se realiza con ayuda del software de arduino, y se muestra a continuación:
Figura 7. Primera parte del código de Arduino
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Figura 8. Segunda parte del código código de Arduino
Figura 9. Tercera parte del código de Arduino
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Mo M ont nta aje del mult ultíme ímettro D i gi gittal en prot roto oboar d: Luego de realizar y cargar el respectivo código al arduino, procedemos a realizar el montaje en la protoboard, tal y como se muestra en la Figura 10.
Figura 10. Montaje de termómetro termómetro digital en protoboard
I mp mplem leme entaci ntación ón de la p pcb: cb: Con ayuda del software pcb wizar realizamos las pistas del circuito para posteriormente realizar el circuito circuito impreso por el método del planchado; a continuación, mostramos nuestro esquema:
Figura 11. Pistas del circuito circuito impreso
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C. Procedimiento análogo Amplif Amp lifii cad cador oper acio ciona nal: l: Para nuestro termómetro análogo instanciamos un amplificador operacional para que aumente el valor de voltaje del sensor lm35, ya que cada grado Celcius equivale a 10mV. A razón de este bajo voltaje optamos en instanciar el amplificador operacional Lf351N para una ganancia de 20 ( = 20). Enseguida realizamos la conexión directa de la salida del amplificador operacional ( ) al galvanómetro de bobina móvil dando así una linealidad con nuestro termómetro digital ya implantado.
Figura 12. Simulación del op amp en proteus
C álculo álculoss de dell am amp plif li fi cad cador op ope er aci aci ona onal:l: Para un grado Celsius
= 10 (Voltaje por cada grado Celsius en el LM35) 1 = 10 (Voltaje en R1) 10
= 10 1Ω 2 = − 1 ∗ 2 = − = 1 ∗ 1 + 1 =
= (10)( 10)(15Ω 15Ω)) + (1 (10 0) ) =
Para 100 grados Celsius
= (100)(10 ) = 1 = 1 1 = 1 10 = 10 1 = 1Ω 2 = − 1 ∗ 2 = − = 1 ∗ 2 + )(15Ω = (1 1)( 15Ω)) + (1) = 13 Facultad de Ingeniería Electrónica.
F ab abrr i caci cación ón d de e la pla placa ca d de el ci cirr cuito cui to op op-am -amp p: Con ayuda del software Proteus y su herramienta PCB Layout, procedemos a elaborar el diagrama diagrama de la placa para el circui circuito to impreso del amplificador amplificador operacional (Figura 13). Posteriormente con la herramienta Print Layout, imprimimos el diagrama (Figura 14) y procedemos a aplicar la técnica del planchado sobre nuestra baquelita.
Figura 13. PCB Layout en en Proteus
Figura 14. Diagrama listo para el planchado
P r oce oceso so d de e solda soldadur dura: a: Luego de realizar la técnica de planchado y sumergir la pcb sobre la mezcla del cloruro férrico con agua, se proceden a soldar los componentes sobre la pcb, tal y como se muestra en la Figura 15.
Figura 15. Componentes soldados
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G alvanóm alvanómet etrr o d de e bo bobi bina na m móvi óvil:l: Para nuestro medidor de temperatura analogo, empleamos un galvanometro de bobina movil dispuesto para medir voltajes entre en tre 0-30 V (voltios) Por cada cada grado que mide el sensor lm35 tendremos un voltaje de salida de 10mV, por lo que qu e planteamos usar un amplificador de voltaje no inversor con una ganacia de 30, esto con el fin de ocupar toda la escala de nuestro galvanometro; y así cuando la temperatura sea 100 grados celsius el galvanómetro nos mida 30V. La ecuacion de la defelexion de la aguja en el galvanometro es la siguiente:
Δ temLM35( temLM35(mv mv)) ∗ ganacia ganacia amplificador amplificador (30 30)) = voltaje voltaje galvano galvanometro metro Ejemplo: 450mV *30v=13,5 Una vez configurado el sistema analogo procedemos retirar la escala original del galvanometro y realizar una escala que nos permita ver el valor de la temperatura. Realizamos las siguientes equivalencias (Tabla 4): Tabla 4. Equivalencia voltaje-grados Celsius
Lm35 ( mV ) 10 300 500 750 1000
Temperatura celsius ( c ) 1 30 50 75 100
Voltaje galvanometro (V) 0,3 9 15 22,5 30
De esta manera hacemos que cuando el valor de la temperatura aumente; por ejemplo, cuando lleguemos a una temperatura de 50 grados Celsius, el galvanómetro deflecte su aguja hasta la mitad, indicando 50°C=15V, y así con las demás mediciones.
Figure 16. Galvanómetro
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VI. CONCLUSIONES
Se notó que el termómetro digital es más preciso y tiene un rango de temperatura más grande con
respecto al análogo, y esto es una gran ventaja.
La precisión del termómetro análogo depende del rango de medición; si su rango es más grande su
precisión disminuye con respecto a uno digital.
La precisión del termómetro análogo es inversamente proporcional al rango que este tenga.
VII.
REFERENCIAS
[1] https://naylampmechatronics.com/sensores-temperatura-y-humedad/234-sensor-de-temperatura-analogico-lm35.html https://jovannayepez.wordpress.com/2014/03/24/caracteristicas-de-los-pines-de-la-lcd-16x2/ [2] https://jovannayepez.wordpress.com/2014/03/24/caracteristicas-de-los-pines-de-la-lcd-16x2/
[3] http://www.iescamp.es/miarduino/2016/01/21/placa-arduino-uno/ [4] http://como-funciona.co/un-galvanometro/ http://como-funciona.co/un-galvanometro/ [5] https://www.finaltest.com.mx/v/vspfiles/photos/FLUKE-64-MAX-2T.jpg
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