Emisor - Receptor RF para Laboratorios de Fisica

Para muchas practicas de laboratorio, resulta muy útil tomar los datos de manera automática para que sean mas confiables y tener la opción de guardarlos y poder trabajar con ellos usando software de análisis de datos, además, se necesita solo un equipo para adquirir los datos, a diferencia de los laboratorios tradicionales, en los cuales se necesitan varios equipos para un mismo fin.

He diseñado un dispositivo para demostrar la ley de enfriamiento de Newton, de tal manera que la medición de las variables de temperatura y tiempo se hagan de manera automática. Este dispositivo se puede usar en los laboratorios de Física de grados 10 y 11 de educación media secundaria demostrando el uso de las TIC en la educación.

Aprovechando la dotación del colegio en el que trabajo, se distribuirán los datos obtenidos por el dispositivo a la red de PC's que usan los estudiantes, para ello se necesita enviar los datos de temperatura y tiempo a los computadores.

Modulo Transmisor

El modulo transmisor tiene como base al microcontrolador 16F628A el cual se encarga de tomar los datos de temperatura del sensor DS18S20, el cual posee una resolución de 0,5°C @9bits, tiempo de conversión de 750mS y se comunica con el protocolo 1-wire (lo cual simplifica el diseño), llevar el conteo interno de toma de datos (cada 5 segundos), controlar la lampara incandescente (fuente de calentamiento) y enviar los datos vía RF hacia el receptor que se encuentra fuera del Laboratorio(hasta 100 metros de alcance).

Modulo Receptor

El modulo receptor tiene como base al PIC18F2550 el cual se encarga de recibir la información RF y la reenvía al computador vía USB.

Las tarjetas de ensamble para los equipos:

Para graficar los datos, se ha diseñado una plataforma software: CtrlTEMP, la cual se encarga de recibir los datos vía USB y se grafican en un plano cartesiano Temperatura vs. Tiempo, además posee la opción de exportar los datos a Excel de Office, archivo en el cual se mostrarán los datos y las gráficas correspondientes (para anexarlos al informe de laboratorio :) ).

DESCARGAS:

CtrlTEMP : Software de visualización de datos.

PCB's: Tarjetas de ensamble.

Ley de enfriamiento de Newton

Cuando un cuerpo que ha sido calentado previamente se deja al aire para que se enfríe, la función de Temperatura respecto al tiempo del cuerpo no es una linea recta, es decir, el enfriamiento no es linealmente proporcional.

La ley que sigue el proceso de transferencia de calor del cuerpo caliente hacia el medio circundante se conoce como Ley de enfriamiento de Newton la cual nos dice:

La temperatura de un cuerpo cambia a una velocidad que es proporcional a la diferencia de las temperaturas entre el medio externo y el cuerpo.

Matemáticamente, se puede expresar de la siguiente manera:

En donde:

dT : Cambio de Temperatura

dt : Cambio de Tiempo

k : Constante de proporcionalidad

T : Temperatura del cuerpo

Si se halla la constante de proporcionalidad k es posible predecir los cambios de temperatura del cuerpo a un tiempo determinado, para hacerlo, se deben tomar los datos de Temperatura a tiempos determinados y realizar la gráfica de Temperatura vs Tiempo.

Para tal fin he diseñado un dispositivo el cual se encarga de medir la temperatura y el tiempo de un cuerpo, lo visualiza en una pantalla LCD y además lo transmite por vía RF a un receptor (fuera del laboratorio) el cual esta conectado a un PC vía USB.

En el PC se ha instalado el software CtrlTEMP el cual se encarga de recibir los datos del receptor RF y los grafica en un plano cartesiano Temperatura vs. Tiempo, además indica el tiempo y temperatura actuales y el tiempo total del proceso.

Para tomar los datos de enfriamiento, se conecta el dispositivo transmisor y se presiona el pulsador de inicio, con lo cual se encenderá la lampara, la cual se encarga de calentar el aire circundante al sensor de temperatura, el calentamiento se hará por un tiempo de 1 minuto, pasado ese tiempo el dispositivo comenzará a visualizar y a transmitir los datos de temperatura y tiempo.

Lo primero que se hará evidente es que la función de relación entre Temperatura y tiempo no es una linea recta (con lo que se demuestra que el cambio no es linealmente proporcional).

Podemos observar que la función que describe la relación entre Temperatura y Tiempo, se asemeja mucho a la función exponencial, la cual es solución para la ecuación que describe la rapidez de enfriamiento del cuerpo.

Si el cuerpo se enfría a partir de una temperatura inicial Ti hasta una temperatura final Tf, la función que describe el enfriamiento del cuerpo es:

Para poder hallar el valor de la constante de proporcionalidad k se debe linealizar la ecuación anterior, para ello la reescribimos de la siguiente manera:

Aplicamos la función logaritmo natural a ambos lados de la igualdad, con lo que obtenemos:

Para trabajar los datos de la gráfica, damos click al botón que nos permite exportar los datos a Excel, el cual nos hará la gráfica de Temperatura vs Tiempo y nos entrega dos columnas con los datos de Tiempo y Temperatura.

Restamos a los datos de la columna de Temperatura el valor de Tf que sería el valor de la temperatura ambiente y luego calculamos el logaritmo natural; el valor de Ti corresponde al primer valor obtenido por el sensor de temperatura. Se traza la mejor recta posible entre los puntos obtenidos y calculamos la pendiente, la cual corresponde al valor de la constante de proporcionalidad k.

Al invertir el valor de k obtenemos un valor en segundos, el cual nos da una idea de la rapidez de enfriamiento.

Se puede usar software de análisis de datos para calcular el valor de las constantes de la ecuación, por ejemplo EUREGA.

Una aplicación de este tipo de sistemas es los hornos, a los cuales se les debe controlar la temperatura para garantizar un buen producto final. AQUI puedes encontrar (página 0x1c) una descripción mas detallada del control de un horno.

DESCARGAS

CtrlTEMP - Software para la adquisición de datos de Temperatura y Tiempo