INFORME DE LA PRÁTICA N°1 DE MICROMETEOROLOGÍA

CONSTRUCCIÓN Y CALIBRACIÓN DE UN PSICRÓMETRO DE TERMISTORES PARA FINES MICROMETEOROLÓGICOS

I. INTRODUCCIÓN

Las diferentes aplicaciones que hemos hallado del Psicrómetro lo definen como un instrumento usado para medir el contenido de vapor de agua del aire, inclusive modernos y sofisticados Psicrómetros son utilizados por centro meteorológicos para la determinación de la humedad relativa del aire además de facilitar informaciones complementarias como la temperatura de punto de rocío entre muchas otras.

Sin embargo éste trabajo esta orientado a la Construcción y Calibración de un Psicómetro de Termistores el cual, si bien es cierto, se aleja de lo sofisticado y tecnológico, nos ayudará a entender el funcionamiento básico de cualquier Psicómetro.

Además es la herramienta más práctica accesible y portable ante la necesidad de contar con datos climatológicos exactos, pues los proporcionados por las estaciones climatológicas no se recomiendan para el estudio de microambientes.

Los materiales y métodos de construcción son de fácil acceso y requieren esencialmente de un diseño exacto. La calibración se basa en la obtención de datos de temperatura del agua y la resistencia del termistor para dicha temperatura, los cuales por medio de una ecuación validarán su precisión.

Es necesario indicar que no se requiere de un gran manejo de manipulación de materiales, pero si de un responsable calibración del instrumental.

II. OBJETIVOS

Diseñar y construir termómetros con termistores Calibrar termómetro de termistores Conocer los aspectos básicos de instalación y proceso de lectura de

psicrómetros de termistores

III. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

Termistor: Es un dispositivo semiconductor de dos terminales cuya resistencia, como su nombre sugiere, sensible a la temperatura. Una característica representativa de ello se muestra en la figura Nº 1, con el símbolo gráfico utilizado para identificar este dispositivo. Se observa la no linealidad de la curva y la caída en la resistencia desde aproximadamente 5000 hasta 100 ohmios, para un incremento de temperatura de 20ºC hasta 100ºC. la disminución en la resistencia con un aumento de temperatura indica un coeficiente térmico negativo.

La temperatura del dispositivo puede cambiarse interna o externamente. Un aumento de la corriente en el dispositivo elevará su temperatura, ocasionando una caída en su resistencia terminal. Cualquier fuente de calor aplicada externamente resultará en un incremento de su temperatura y una caída de su resistencia. Este tipo de acción (interna o externa) se presta bien para los mecanismos de control.

Los termistores se componen de mezclas de óxidos, metálicos y cristales mixtos oxidados, que se sinterizan con un agregado de aglutinantes. Se utilizan, por ejemplo, óxido de magnesio y titanio, o bien cobalto y óxidos de magnesio y níquel.

Tipos: Según su aplicación se emplean termistores cilíndricos, en forma de disco, de placa, de perla, esféricos o atornillables.

Asimismo, en los termistores la relación entre la resistencia y la temperatura está dada por la expresión: R= A.eBT, donde:

R = Resistencia en ohmios.

T = Temperatura en ºC o grados Kelvin

A y B = Constantes de calibración de cada termistor.

Para cumplir con el objetivo de la práctica, se requiere una expresión de la temperatura en función de la resistencia, la cual obtendremos linealizando la ecuación anterior, como se presenta a continuación: T =A-B.LnR

Donde los valores A y B se obtienen graficando T vs LnR o a través de una regresión lineal simple entre T y LnR.

Psicrómetro de termistores: Tiene por finalidad medir la temperatura del bulbo seco, que se registra en las condiciones atmosféricas normales; y del bulbo húmedo, que se mide en una atmósfera de aire saturado; mediante el uso de termistores. Este tipo de psicrómetro se utiliza en estaciones meteorológicas automáticas y cuando están mantenidos correctamente proporcionan medidas muy exactas.

Conociendo las temperaturas de ambos termómetros, la humedad relativa puede fácilmente determinarse por cálculos mediante las expresiones correspondientes.

IV. MATERIALES Y MÉTODOS

Para la construcción, calibración y validación se requieren los siguientes materiales y equipos:

-10 termistores aerodinámicos de 200 ohms o más de resistencia

-2 tubos de PVC de ¾ de pulgada de diámetro para agua, y de un 1.65m de longitud cada uno.

-1 cable de teléfono de 6 m. como mínimo que en su interior contenga 4 cables de colores diferentes.

-Cordón de luz #19 o #20 de 5 m. de longitud

-Cinta aislante

-Navaja o tijeras con buen filo

-Soldador de mano (coatín)

-Alambre de estaño y grasa

-Multímetro

-Vaso pirex de 1 L

-Hornilla eléctrica con malla recubierta de asbesto

-Termómetro graduado

-2 soportes universales con una pinza en cada soporte

-5 trozitos de tela de polo

-Aguja e hilo

-2 cinceles de ½ pulgada de diámetro

PROCEDIMIENTOS:

Para la construcción del psicrómetro:

1. Horadar los tubos en 5 distintos niveles: a 3, 33, 53, 103 y 163 cm del extremo inferior. El agujero del nivel 160 debe ser mayor diámetro. Se debe horadar un agujero de igual diámetro también en la parte contrapuesta del nivel 0. (Ver figura)

2. Una vez terminado los agujeros, introducir cada uno de los cuatro cables de colores (teléfono) en cada uno de los niveles menos en el de 163cm. Introducirlos de manera tal que cada uno de los extremos o puntas de los cables salga por cada uno de los extremos del tubo (50 cm en el extremo superior), dejando una pequeña horilla de cable sin introducir. (Ver figura)

Vista posterior

3 cmNivel 0

Nivel 30

Nivel 50

Nivel 100

Nivel 160

Vista anterior

50 cm de cable

Nivel 0 Nivel 30 Nivel 50Nivel 100

Vista de corte

3. A continuación, tomar el cordón de luz y estirarlo a lo largo del tubo de PVC. Luego con un lapicero marcar el cordón en los sitios donde coincidan los agujeros de los distintos niveles ya mencionados, incluyendo el nivel de 163 cm. Es importante mencionar que el cordón debe tener 10 cm aprox de excedente por encima del nivel de 163 cm. (Ver figura)

4. Pelar el cordón en los puntos marcados, exceptuando el nivel de 163 cm (pelar solo un lado del cordón). Luego pelar los extremos de cables salientes del extremo superior del tubo y soldarlos en los puntos del cordón de luz ya pelados, respetando el orden de colores en los diversos niveles.

5. Introducir el cable de tal manera que coincidan las marcas con los agujeros (pero en este caso al interior del tubo). El extremo del cordón con la marca de 163 cm debe salir por el agujero correspondiente, realizar un nudo para que el excedente quede expuesto y no introduzca de nuevo dentro del tubo.

Nivel 160 con nudo

Nivel 0

Nivel 30

Nivel 50

Nivel 100

Soldar al cordón de luz

Cordón de luz

Nivel 0 Nivel 30 Nivel 50Nivel 100

Vista de corte

20 a 30 cm de longitud

6. En el extremo inferior del cable, dejar como excedente 20 a 30 cm y cortar el excedente

7. Con el cable restante repetir el proceso en el otro tubo.8. Una vez terminado los dos tubos, las horillas salientes por los agujeros de los

diversos niveles deben ser cortados y pelados para su posterior soldado con los termistores.

9. Terminado la incorporación de los termistores al circuito, se selecciona un tubo como bulbo seco y otro como bulbo húmedo. Al de bulbo húmedo se le cubren los termistores con la tela del polo y le cose de tal manera que quede bien adherido.

Para la calibración de los termistores:

1. Colocar uno de los tubos en las pinzas de los soportes de tal manera que quede suspendido a uno 15 cm de la superficie, la altura va a depender de la altura del vaso el cual deberá deslizarse sin encontrar los termistores como obstáculo.

Cordón de luz

Nivel 0 Nivel 30 Nivel 50Nivel 100

Vista de corte

Nivel 160

Termistores soldados

Termómetro de mercurio

293

Pyrex con agua

Deslizamiento libre

2. Conectar el cordón común del circuito a una de las salientes del termistor y colocar la otra saliente en el cable del nivel que se quiere calibrar.

3. Llenar el vaso de pyrex hasta un poco antes de ras con agua pura. Luego sumergir cada termistor en el vaso con agua y realizar la lectura de la temperatura del agua con el termómetro graduado.

4. Medir la resistencia eléctrica a temperatura de ambiente y anotar los resultados.

5. Repetir los pasos 2, 3 y 4 con todos los niveles

6. Una vez terminada la primera medición para los cinco niveles, calentar el agua hasta que subo 1°C aproximadamente y repetir los pasos 2, 3 y 4 en todos los niveles. Se deben realizar 33 mediciones como mínimo para cada uno de los niveles.

7. Realizar todo el procedimiento tanto para bulbo seco como para bulbo húmedo, teniendo en consideración que para este último se debe esperar un tiempo hasta que se sature el micro ambiente contenido dentro de la tela.

8. Una vez realizado todas las mediciones, se halla la ecuación correlación entre los datos de temperatura y resistencia mediante un grafico de regresión T° vs R(resistencia) ajustado la regresión a exponencial. Para efectos prácticos se despeja T° en función de R

9. Verificar el R2 de la ecuación, debe ser lo más cerca a 1 ( mayor a 0.95)

10. Realizar la prueba F detallada en la guía de prácticas de Micrometeorología.

Procedimiento para la validación

1. La validación es similar al proceso de calibración, sólo con una menor cantidad de datos (20). Se siguen todos los pasos de la calibración hasta el paso 6.

2. Con los datos obtenidos de resistencia (de la validación)en cada nivel, se calcula la temperatura teórica utilizando la ecuación de cada nivel encontrada en el calibración.

3. Se halla el error relativo entre la temperatura experimental (validación) y la teórica (ecuación), el cual no debe ser mayor al 15%. Si el 25% de los datos no cumple con este requisito, no se considera la calibración efectuada y se debe realizar nuevamente el proceso.

4. Se realizará la lectura en el campo cuando los psicrómetros de distintos niveles se encuentran debidamente validados.

Procedimiento de medición en campo.

1. Clavar los cinceles sobre el suelo dejando 3 cm expuestos aproximadamente con una separación entre ellas de 10 cm aproximadamente

2. Introducir los tubos de PVC (psicrómetros) en los cinceles de tal manera que el tubo quede erguido.

3. Conectar el nivel 0 del bulbo húmedo en el multímetro, mojar el termistor y esperar que el microambiente se sature. En La Molina, este periodo dura alrededor de 5 minutos. Se realizará la lectura cuando la resistencia de encuentre estable, TOMANDO COMO DATO EL MAYOR VALOR DE RESISTENCIA OBTENIDO (menor T°).

4. Inmediatamente realizada la lectura del bulbo húmedo, proceder con la de bulbo seco. Anotar los datos obtenidos, la hora inicial desde que se mojo el termistor, la

Cinceles clavados en el suelo

10 a 15 cm de separación aprox

hora final en el momento que se satura el microambiente (resistencia estable) y el tiempo de saturación.

5. Repetir los pasos 3 y 4 en los distintos niveles. Realizar por lo menos 3 lecturas por cada nivel.

OBS: Para reducir los errores es importante guardar cierta distancia del equipo para que la temperatura corporal no afecte en las mediciones y no obstaculizar el flujo de aire.

V. RESULTADOS

VI. DISCUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los errores relativos en la validación del bulbo húmedo son menores que en la del bulbo seco, porque se requiere más tiempo para que el ambiente del termistor se sature por completo.

En campo, la temperatura del aire va descendiendo conforme se adquiere mayor altura tanto en bulbo seco como bulbo húmedo. Esto se debe al calor de evapotranspiración que libera la cobertura del suelo (césped), que calienta ligeramente la superficie rugosa.

La temperatura de bulbo húmedo tiene una diferencia de 1 °C aproximadamente menor a la de bulbo seco, lo cual se traduce en humedad relativa alta, que es característico en la zona de la Molina.

En posteriores prácticas se debe tomar en cuenta diversos factores que podrían causar error en las medidas como una posible inversión térmica o la turbulencia que puede existir en la superficie.

Es posible que un error de calibración de los termistores causen anomalías en los datos, por ello es recomendable verificar el equipo de medición si ocurre esto, antes de calificarlo como defectuoso.

Es recomendable utilizar termistores de resistencia grandes (400 ohmnios) para poder dar lecturas mucho mas exactas.

El tiempo de saturación en algunos casos excede los 5 minutos que esta reglamentado para las zonas como La Molina que son áreas de alta humedad, es preferible esperar unos segundos más para que el equipo se estabilice y tomar una medida correcta.

VII. CONCLUSIONES

Los datos de medida de campo siguen la trayectoria del gradiente, es decir conforme vamos tomando las medidas en los niveles fijados la temperatura disminuye.

El tiempo de saturación de la atmósfera en La Molina es de aproximadamente 5 a 6 minutos.

La temperatura del bulbo húmedo es 1°C menor que la de bulbo seco debido a la alta humedad relativa en La Molina.

Los termistores son buenos elementos sensibles para la elaboración de psicrómetros.

VIII. BIBLIOGRAFÍA

ROLLE, Kurt C. Termodinámica. Sexta edición. Prentice Hall. HÄBERLE, Heinz. Electrónica: Electrónica industrial, radio y televisión.

Fundamentos de electrónica. Tomo I. Editorial Reverté, 1979. España. Págs. 25-26

BOYLESTAD, Robert L. Introducción al análisis de circuitos. Décima edición, 2004. Prentice Hall. México Págs. 84-85

ESTUDIO FAO, RIEGO Y DRENAJE Nº56. Evaporación del cultivo. Guía para los requerimientos de agua de los cultivos. EEUU, 2006. Pág. 244