Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química Año 5 2019 Número 5 Construcción y verificación de un termómetro digital utilizando una curva de calibración con un multímetro Cabrera Jaime José Alberto*, Hernández Rodríguez Juan Martín, Ramírez Arenas Stephany, Valverde Labastida Mayté Saraí Facultad de Quí mica, UNAM. Departamento de Fí sica y Quím ica Teo rica. Cto. Exterior S/N, C.U., Ciudad de México, C.P. 04510, México. *Autor para correspondencia: albertocabja@gmail.com Recibido: RESUMEN 21/julio/2019 Se construyó un dispositivo capaz de medir la temperatura, a partir de un diodo Zener 1N4148, con una curva de calibración de la diferencia de potencial en función de la temperatura usando un multímetro calibrado, un termómetro de resistencia en Aceptado: platino y una resistencia también calibrada. Se realizaron variaciones en la 04/noviembre/2019 resistencia y el potencial de trabajo, para obtener los valores óptimos en función de la sensibilidad del dispositivo. Estos valores fueron 10 Ω y 0.95 V respectivamente. Utilizando estos valores, se obtuvo un coeficiente de correlación de 0.9976 para un intervalo de temperaturas de (-17 a 75)°C. Finalmente se estudió también la repetibilidad y reproducibilidad del dispositivo propuesto, el dispositivo mostró una Palabras clave: buena reproducibilidad con un CV <0.5%. Termo metro, diodo Zener 1N4148, curva de calibracio n ABSTRACT In this work, a new digital thermometer was constructed using a Zener diode Key words: (1N4148), a multimeter, a platinum resistance thermometer and a resistance. Thermometer, Calibration curves of the potential difference as function of temperature were Zener diode 1N4148, constructed, the resistance value and work potential were changed to find the calibration curve optimum work values: 10 Ω and 0.95 V, the system’s reproducibility was studied. The Zener diodes (1N4148) showed promising characteristics to be used measuring temperature due to their linear response interval (-17 to 75°C) sensitivity, good reproducibility (C.V <0.5 %) and low cost and uncertainly. However, it’s necessary to evaluate Zener diodes behavior at higher temperatures. Universidad Autónoma Metropolitana, Ciudad de México P á g i n a | 20 Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química Año 5 2019 Número 5 Introducción Metodología Los termómetros de mercurio (Hg) son utilizados en Armado del termómetro ciencia e industria debido a sus intervalos de uso, fácil accesibilidad y bajo costo. Sin embargo, los países de la Para el diseño del termómetro se armó un circuito convención de Minamata han sugerido erradicar su uso eléctrico con una fuente de poder, un resistor y un diodo para 2020 (Kessler et al., 2013) porque todas las formas 1N4148 conectados en serie y un multímetro en paralelo. de mercurio son tóxicas (Clifton, 2007; Bakir et al., 1973). El diodo se colocó en un cilindro plástico para darle Actualmente se busca sustituir estos termómetros tanto mayor soporte y fue sellado con una resina epóxica por su toxicidad como baja precisión respecto a sus resistente a las temperaturas de trabajo. El circuito contrapartes digitales. Existen al menos tres alternativas utilizado está representado en la figura 1. digitales comúnmente usadas para reemplazar a los termómetros de Hg: termómetros de resistencia en platino, termorresistores y termopares. Los termómetros de resistencia deben su funcionamiento a la dependencia que tiene la resistencia de los materiales conductores a la temperatura. En teoría cualquier conductor puede ser usado en este tipo de termómetros, pero el platino es el elemento de mayor elección por su baja reactividad y coeficiente de temperatura de resistividad (Childs et al., 2000). Una opción más barata que un termómetro de resistencia en platino es un termorresistor, éste consiste en un semiconductor cuya resistencia varía en función de la temperatura (Childs et al., 2000). Por otra parte, los termopares funcionan por el efecto Seebeck, que se manifiesta con la aparición de una diferencia de potencial en la unión de dos conductores diferentes debido a una diferencia de temperaturas (Singh, 2009). Otra alternativa, reportada con menos frecuencia para medir temperaturas, son los diodos semiconductores (Szmyrka-Grzebyk y Lipiński, 1993; Szmyrka-Grzebyk y Lipiński, 1995) como el BZAP 83 (-269 a 173°C), DT 470, DT 500, 1N 4003 y BYP 401 (-223 a 27°C). La Figura 1. Esquema del circuito eléctrico (a), arreglo temperatura tiene un efecto marcado en sus experimental (b) y diodo 1N4148 con acercamiento a la zona características (Boylestad y Nashelsky, 2009): un indicada con un círculo (c). incremento de 20 hasta 100°C puede producir una caída Los valores óptimos de resistencia y potencial de trabajo de potencial de 0.2 V. Las virtudes de los diodos con para el diodo fueron determinados como se describe a potencial uso como termómetros son su bajo precio, continuación. relación lineal simple de voltaje-temperatura, alta sensibilidad (del orden de 2.5 mV/°C), precisión de hasta Elección de la resistencia 50 m°C y la simplicidad que implica su operación (Krause y Dodrill, 1986). El diodo del circuito electrónico fue sumergido en un baño de temperatura controlada y se fijó un potencial de Detectar y medir la temperatura es una necesidad crucial trabajo de 0.78 V. El resistor del sistema se varió desde para incontables investigaciones científicas y desarrollos 0.22 a 13 Ω, siendo el resistor de 10 Ω el que presentó una tecnológicos. Conforme la tecnología progresa, mayor sensibilidad. incrementa la demanda por mediciones de temperatura más precisas. Por consecuencia, el presente proyecto Elección del potencial de trabajo está orientado a la construcción y verificación de un dispositivo capaz de medir la temperatura basado en un El diodo del circuito electrónico fue nuevamente diodo Zener 1N4148, haciendo uso de una curva de sumergido en el baño de temperatura controlada y, calibración realizada con un multímetro, a partir de la fijando el valor de la resistencia a 10 Ω, se varió el comparación directa con un termómetro de resistencia potencial de trabajo a 0.60, 0.78 y 0.95 V, este último en platino calibrado. valor resultó el óptimo. Universidad Autónoma Metropolitana, Ciudad de México P á g i n a | 21 Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química Año 5 2019 Número 5 Calibración del termómetro La calibración del diodo para medir la temperatura se realizó a través por una curva de calibración por comparación directa respecto a un termómetro de resistencia en platino AMETEK STS 050 A 250 con incertidumbre ±0.02°C, un multímetro Fluke con incertidumbre de ±0.0023 V y una resistencia patrón de 9.99999 Ω con incertidumbre ±0.000416 Ω, todas las incertidumbres están expresadas con k=2 y los instrumentos son trazables al BIPM. Para generar la curva de calibración, el diodo y el termómetro patrón fueron colocados en los baños a -17, 0, 25, 40, 60 y 75°C, se registró la temperatura indicada por el termómetro y el potencial indicado en el multímetro. Repetibilidad y Reproducibilidad del sistema El procedimiento descrito en el párrafo anterior se realizó por triplicado con un mismo diodo para estudiar su repetibilidad. Para la reproducibilidad, se construyeron 5 dispositivos Figura 3. Resultados de la regresión lineal de los datos al elegir con diferentes diodos, Figura 2, y se evaluó la respuesta el valor de la resistencia. Los datos con el resistor de 10 Ω (azul de los diodos a diferentes temperaturas contenidas en el acentuado) producen una pendiente de -0.0008 V°C-1 y una intervalo de calibración. intercepción con el eje de las ordenadas de 0.7288 V. Elección del potencial de trabajo En la figura 4, se muestran la influencia de variar el potencial de trabajo con una resistencia patrón calibrada de 9.99999 Ω con un valor límite de 1 V. Se puede observar que hay un aumento del valor absoluto de la pendiente al aumentar el potencial de trabajo. El valor máximo del absoluto de la pendiente es obtenido con el potencial de 0.95 V, con un valor de 0.0010 V°C-1, lo que sugiere que un potencial de trabajo de 0.95 V proveerá una mayor sensibilidad al dispositivo. Figura 2. Dispositivos construidos con diferentes diodos. Resultados y discusión Elección de la resistencia Los resultados, producto de la regresión lineal de los datos, de la sensibilidad en la elección de la resistencia se encuentran en la figura 3. Para variar el valor de la resistencia se utilizaron resistores comerciales. Se puede observar que hay una mayor sensibilidad por el valor de la pendiente al aumentar el valor de la resistencia del circuito. Figura 4. Resultados de la regresión lineal de los datos al elegir El valor máximo del absoluto de la pendiente es obtenido el valor del potencial de trabajo. Los datos con el potencial de con el resistor de 10 Ω, con un valor de 0.0008 V°C-1, por 0.95 V (verde acentuado) producen una pendiente de -0.0010 ello se seleccionó para las pruebas posteriores. V°C-1 y una intercepción con el eje de las ordenadas de 0.7968 V. Universidad Autónoma Metropolitana, Ciudad de México P á g i n a | 22 Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química Año 5 2019 Número 5 Calibración de Termómetro previamente especificadas. En la Tabla 2, se indican los % coeficientes de variación (CV) a las distintas temperaturas, Se realizó la curva de calibración para el dispositivo (T1) la figura 6 muestra el comportamiento de las lecturas de constituido por un diodo, una resistencia patrón de la diferencia de potencial generadas en el diodo por 9.99999 Ω y un potencial de trabajo de 0.95 V. Se hicieron efecto de la temperatura para los distintos dispositivos. mediciones independientes y por triplicado a -17, 0, 25, 40, 60 y 75°C. El promedio de las mediciones a las Tabla 2. Porcentaje de coeficiente de variación para las distintas temperaturas se muestra en la figura 5(a), en distintas temperaturas medidas con los distintos dispositivos. 5(b) se incluye el gráfico de residuales para demostrar un Temperatura comportamiento aleatorio al realizar la regresión por el (°C) método de mínimos cuadrados. En la Tabla 1, se muestran los datos más importantes de la regresión realizada con los respectivos valores de incertidumbre Promedio (V) (k=2) que deberán ser asociados al realizar mediciones posteriormente con el dispositivo T1 a partir de la ecuación, se muestra además la ecuación que permitirá Desv. Est. calcular posteriormente la temperatura con los dispositivos. % CV El porcentaje del coeficiente de variación más grande se obtiene a la temperatura promedio de -6.629°C, con 0.3159%, y el más pequeño a la temperatura promedio 40.431°C, con 0.1684%, estos parámetros evidencian la reproducibilidad de los dispositivos. Los valores para el coeficiente de correlación para cada uno de los dispositivos son mayores a 0.9944. Figura 5. Resultados de la curva de calibración para el dispositivo T1 (a) y gráfico de residuales de la regresión por el método de mínimos cuadrados (b). Tabla 1. Resultados de la regresión lineal para el dispositivo T1, los resultados se expresan con un 95% de confianza. Pendiente (-9.3X10-4±1.1X10-5)V°C-1 Ordenada al origen (8.1X10-1±5.1X10-4)V Coef. de corr. R2 0.9976 𝑇 = 𝑓(𝑉) -1.07 X103 V+ 8.66X102 Incertidumbre en 𝑇 ±1.6 X10-3 °C Repetibilidad y reproducibilidad Figura 6. Variación de la temperatura de las distintas Un parámetro importante evaluado es la repetibilidad de mediciones. En azul se encuentran marcados los valores de los diodos 1N4148 al medir la temperatura. Se obtenidos de cada dispositivo, el promedio de las mediciones realizaron 6 mediciones de temperaturas dentro del de temperatura se encuentra marcado con las líneas punteadas intervalo lineal de los dispositivos para los centrales y valores del promedio  0.2 °C en las líneas dispositivos T1, T2, T3, T4, T5, a las condiciones punteadas inferior y superior como referencia. Universidad Autónoma Metropolitana, Ciudad de México P á g i n a | 23 0.32 0.0026 0.823 -6.629 0.27 0.0022 0.807 0.258 0.24 0.0019 0.783 25.333 0.30 0.0023 0.769 40.431 0.17 0.0013 0.749 60.570 0.25 0.0018 0.734 74.130 Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química Año 5 2019 Número 5 Conclusiones Szmyrka-Grzebyk A., Lipiński L. (1995). Linear diode thermometer in the 4-300 K temperature range. Se construyó y verificó un dispositivo capaz de medir la Cryogenics, 35: 281-284. temperatura basado en un diodo Zener 1N4148, haciendo uso de una curva de calibración realizada con un multímetro, a partir de la comparación directa con un termómetro de resistencia en platino calibrado. Se logró obtener un coeficiente de correlación de 0.9976 y para un intervalo de temperaturas de -17 °C a 75 °C. La incertidumbre de la temperatura medida con el dispositivo denominado T1 es de ± 1.5 * 10-3 °C, con coeficientes de variación menores al 0.5% para las diferentes temperaturas evaluadas, lo que es evidencia de la confiabilidad, reproducibilidad y repetibilidad del dispositivo propuesto por lo que se sugiere podría utilizarse en mediciones de temperatura de forma confiable y a un bajo costo. Agradecimientos Al Departamento de Física y Química Teórica y al comité de la Muestra Experimental de Física Jocelyn Bell Burnell por las facilidades otorgadas y por el apoyo para llevar el proyecto más allá de la Facultad de Química. A los Laboratoristas Martín Urquiza y Azucena Gracia por el apoyo proporcionado durante el desarrollo del proyecto. Referencias Bakir F., Damluji S. F., Amin-Zaki, L., Murtadha M., Kahlidi A., Al-Rawi N. Y., Tikriti S., Dhair H. I., Boylestad R L., Nashelsky L. (2009). Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. 10a Ed. Pearson Educación, p.18-19. Clarkson T.W., Smith J.Jc. Doherty R.A. (1973). Methylmercury Poisoning in Iraq. Science, 181, 230-241. Clifton J.C. (2007). Mercury Exposure and Public Health.Pediatric Clinics of North America, 54, 237.e1- 237.e45. Childs P.R.N., Greenwood J.R., Long C.A. (2000). Review of Temperature Measurement.Review of Scientific Instruments, 71, 2959-2978. Kessler R. (2013). The Minamata Convention on Mercury: A First Step toward Protecting Future Generations. Environmental Health Perspectives, 121, A304-A309. Krause J. K., Dodrill B. C. (1986). Measurement System Induced Errors in Diode Thermometry. Review of Scientific Instruments, 57, 661-665. Singh O. (2009). Applied Thermodynamics.3a Ed. New International (P) Limited Publishers, p.46. Szmyrka-Grzebyk A., Lipiński L. (1993). Low Temperature Current - Voltage Characteristics of Silicon Diodes Used as Thermometers. Cryogenics, 33, 222-225. Universidad Autónoma Metropolitana, Ciudad de México P á g i n a | 24