Fig. 1. Diagrama a bloques del proyecto a realizar.

Transcripción

1 SENSOR DE TEMPERATURA DE BALATAS AUTOMOTRICES Francisco Javier Larios Alcala, Resumen La idea es desarrollar un dispositivo electrónico que indica la temperatura a la cual trabajan las balatas. Ya que de lo contrario, si no se conoce el auto que se maneja ó nunca se transita por caminos sinuosos, representa una amenaza. Al calentarse las balatas llegan a una temperatura alta que se cristalizan las balatas y se pierde la posibilidad de frenar. Con ésta valiosa idea se implementa el circuito Sensor de Temperaturas de balatas automotrices, el objetivo es disminuir los accidentes por esta causa. Primeramente se entrevista a personas que trabajan en el transporte, y se llega a la conclusión: no existe un sensor que indica si se está en riesgo de que las balatas se cristalicen. Mencionan que los vehículos poseen sensores de gasolina ó diesel, de temperatura del motor, aceite, etc., pero no existe ninguno que advierta de un peligro en las balatas de los autos. En los vehículos de reciente modelo y de modelos antiguos no se encuentra sensores semejantes ó iguales. Existe una necesidad en éste rubro, se muestra el diagrama a bloques para este proyecto. Fig. 1. Diagrama a bloques del proyecto a realizar. El objetivo es hacer una advertencia con indicadores luminosos un tiempo antes de que las balatas de los vehículos se cristalicen, para indicar el peligro se censa la temperatura y se convierte en una variable eléctrica, se acondiciona la señal, se compara contra un voltaje de referencia para obtener una señal que se utiliza para encender un sistema de enfriamiento y además advertir que no se permite acelerar más. Esta señal activa otro circuito que indica el riesgo. La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido ó de un material referido a un valor patrón predefinido, un valor comparativo de los estados de la materia. Existen dos escalas de temperatura para expresar el estado relativo de la materia, estas son: -Temperaturas absolutas - Temperaturas relativas Las escalas absolutas expresan la temperatura, el valor cero es equivalente al estado ideal de las moléculas en estado estático ó con energía cinética nula. Las escalas relativas, son aquellas Página 1

2 que se refieren a valores ó patrones en base los cuales se establece una escala de uso común. En Sistema Métrico Decimal, las escalas relativas y absolutas son: - la Escala Celsius o de grados Centígrados (relativa) - la Escala Kelvin (absoluta) La equivalencia entre las dos escalas es: Grados Kelvin = Grados Centígrados Con el fin de detectar la temperatura en las balatas se utilizan los transductores, acordes a los rangos de temperatura a los cuales trabaja. El concepto de transductores Transductores son elementos de un circuito electrónico que efectúan una trasposición de una variable física en una eléctrica. Se diferencian dos clases de transductores: 1) Los de entrada: Transforman una variable física en una variable eléctrica. La primera se encuentra en forma de una señal común: radiante, químicas, magnética, térmica ó mecánica, la segunda se restringe a variaciones de tensión y corriente, directa o indirectamente a través de variar parámetros pasivos resistencia, capacidad o inductancia. 2) Los de Salida: (Actuadores) traducen una variable eléctrica a un variable física en una señal común: radiante, químicas, magnética, térmica ó mecánica. Los transductores los más comunes que de temperatura, son: el termopar, el RTD ó termo resistencia, dispositivos de estado sólido, sistemas de dilatación y pirómetros de radiación u ópticos, se consideran los factores, como son rango de temperatura, exactitud, velocidad de respuesta, y costo. En la Tabla 1 se listan los rangos de temperatura mediante sensores estándar. Estos rangos no representan los extremos alcanzables, sino los límites que se miden con los dispositivos disponibles. Sensor Rango en C Termopar -200 a 2800 Sistemas de dilatación -195 a 760 Termo resistencias -250 a 850 Termistores -195 a 450 Piroelectrico por radiación -40 a 4000 Tabla 1. Sensores de temperatura comunes con sus rangos de temperatura de trabajo. Se toma como alternativa un termopar, principalmente por su amplio rango de temperatura que detecta, ya que las balatas trabajan cerca de los 1000 grados centígrados. TERMOPARES Página 2

3 Figura 2.Diagrama de funcionamiento del termopar Un termopar es un dispositivo que se forma con la unión de dos metales distintos, se produce un voltaje (efecto Seebeck), que esta en función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos se denomina "punto caliente" ó unión caliente y el otro se llama "punto frío" ó unión fría, de referencia. En la instrumentación industrial, los termopares se usan como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, usan conectores estándar y miden un amplio rango de temperaturas. El grupo de termopares que se conectan en serie recibe el nombre de termopila. Los termopares y las termopilas se aplican en sistemas de calefacción. El termopar se basa en el principio, del efecto que descubre en 1821 Seebeck, establece que la unión de dos materiales diferentes que se encuentran a una temperatura diferente que la del medio ambiente, a través de esos materiales circula una corriente. Los termopares son precisos y más económicos que los RTDs. Los termopares constituyen el sistema de medición de temperatura que más se usa. Termopares de diferentes tipos cubren un rango desde -250 C hasta C. Tipos de termopares Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a ºC y una sensibilidad 41µV/ C aprox. Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µv/ C. Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una des calibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µv/ C. Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros. Página 3

4 Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µv/ C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC). Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a ºC. El tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje. Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta ºC. Su baja sensibilidad (10 µv/ C) y su elevado precio quitan su atractivo. Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los ºC, pero su baja sensibilidad (10 µv/ C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 C). Tipo T: es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200 ºC a 0 ºC. El conductor positivo está hecho de cobre y el negativo, de constantán. Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar. Funcionamiento de un termopar Si se presenta un gradiente de temperatura en un conductor eléctrico, el flujo de calor crea un movimiento de electrones y con ello se genera una fuerza electromotriz (FEM) en dicha región. La magnitud y dirección de la FEM depende de la magnitud y dirección del gradiente de temperatura del material que conforma al conductor. Los termopares se basan para su funcionamiento en el efecto SEEBECK: Figura 3. El termopar en circuito cerrado. Calentado la juntura de dos materiales distintos que componen un circuito cerrado, se establece una corriente. Las leyes principales que rigen su funcionamiento son: Ley de Homogeneidad del circuito: No se puede obtener corriente calentando. un solo metal. (efecto Thompson ) Ley de Metales Intermedios: La sumatoria de las diferencias de potencial térmicas es cero en un circuito con varios metales, si estos están a temperatura uniforme. Ley de Temperaturas intermedias: La fuerza electromotriz térmica de una TMC no depende de las temperaturas -intermedias. Página 4

5 En la figura siguiente ambos instrumentos marcan igual, es decir la corriente circulante depende en ambos casos de T1 y T2 exclusivamente. Figura 4. Diagrama eléctrico de un termopar. La tensión de un Termopar cuyas junturas se hallan a temperaturas T y TR respectivamente es: Ecuación 1. Tensión de salida de un termopar. Obsérvese que a medida que (T - T R ) crece la respuesta se hace no-lineal. Es deseable entonces para que una TMC tenga un gran rango de medición, que: a) K 1 SEA lo mayor posible b) K 2, K K n SEAN lo menor posible c) el punto de fusión de sus metales componentes sea lo mayor posible. d) gran resistencia al ataque químico. Un termopar consiste de un par de conductores metálicos de diferentes aleaciones. Uno de los extremos, la junta de medición, se coloca en el lugar donde se mide la temperatura. Los dos conductores salen del área de medición y terminan en el otro extremo, la junta de referencia que se mantiene a temperatura constante, se produce entonces una fuerza electromotriz (FEM) que es función de la diferencia de temperatura entre las dos juntas. En un termopar, dos materiales que tienen diferentes características FEM / temperatura, se combinan para producir voltaje de salida. Existen varias reglas a recordar en el empleo de estos sistemas son las siguientes: a) Para asegurar una operación estable y un adecuado termopar, las características termoeléctricas de conductores deben mantenerse a todo lo largo de los mismos (uniformidad). b) Sólo un circuito comprimiendo o simplemente conectando materiales diferentes, en un gradiente de temperaturas producirá una señal. Dos conductores de igual material no producirán FEM alguna. c) La sensibilidad termoeléctrica de la mayoría de los metales no es lineal con la variación de temperatura. Página 5

6 Puesto que la FEM neta generada es función de las temperaturas de ambas juntas, se requiere el control o la compensación de la temperatura de la junta de referencia (o junta fría), lo cual se puede lograr de tres maneras distintas. El método básico y más exacto es el de controlar la temperatura de la junta de referencia, normalmente colocando la junta en un baño de hielo (0ºC). Otro método consiste en medir la temperatura en la junta de referencia utilizando cualquier tipo de dispositivo de medición de temperatura, y luego, en base a esa temperatura y a la salida eléctrica de la junta de medición compensar la lectura de la temperatura de la junta de medición. El tercer método es una compensación eléctrica que también implica la utilización de un dispositivo sensor de temperatura para medir la temperatura de la junta de referencia; sin embargo, en lugar de calcular la compensación a ser aplicada a la salida de la junta de medición, el sensor de temperatura de la junta de referencia se halla incorporado dentro del circuito eléctrico del termopar, donde agrega o quita los mili volts necesarios en la junta de referencia a fin de corregir automáticamente la salida del termopar (Fig. 4). Figura 5. Esquema de un termopar y su sistema de medición. Como se verá más adelante, es de fundamental importancia la prolongación de los alambres termopares, muchas veces hasta la junta de referencia que puede estar lejos de la junta de medición y no siempre afectada por altas temperaturas como en el caso de los alambres de termopar. Es allí donde aparece el uso de los conocidos cables compensados. Su misión es únicamente la de trasladar la junta de referencia hasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) y luego utilizar, para compensar el error, cualquiera de los dos primeros sistemas de compensación de junta fría mencionados. En el caso del tercer sistema de compensación (fig. 4), la finalidad del cable compensado es llevar el sistema de compensación automática hasta un lugar con temperaturas inferiores a 60º Página 6

7 C, ya que todos estos sistemas son electrónicos y trabajan con temperaturas ambiente entre - 10º C y 60º C. Los cables compensados reproducen las misma curvas de respuesta y de tolerancia mv/ºc, que los termopares entre 0 y 200º C. Se las utiliza sólo por razones económicas ya que su composición química difiere de las aleaciones de termopar, buscándose entonces que los materiales sustitutivos sean más económicos que éstos. Con esta información se adquiere conocimiento básico acerca del funcionamiento de los termopares así como de las balatas. Con ello se intenta tener un amplio panorama de este proyecto. La investigación de toda esta información se hace con el objetivo de que el proyecto sea lo más confiable posible y barato, ya que de esto dependerán el destino de algunas personas. Ya que con este proyecto se intenta ayudar o dar una predicción de un posible accidente, en el caso de pasar por alto la advertencia que proporcionara el circuito. Características de una balata. Una balata es una especie de pasta (algunas veces semi metálica que hace que la llanta frene, el sistema de balatas esta dentro del (tambor que es donde entra el rin) de la llanta y esta formado por un juego de balatas y resortes (estos regularmente están en las llantas traseras). Cuando se pisa el freno de un carro las balatas se abren haciendo fricción con el tambor y de esa forma se va parando la llanta. Y en las balatas delanteras, solo hacen presión sobre el disco y de esa forma frena la llanta delantera. Página 7

8 Tabla 2. Tabla de recopilación de los rangos óptimos de trabajo. Al observar toda la gama de balatas o la mayoría de ellas, tenemos que decidir con cual balata vamos a trabajar. Para cada balata se ajusta el circuito para que este trabaje de manera correcta y logremos nuestro objetivo prevenir algún accidente relacionado. Este proyecto se va a llevar a cabo con la balata Endless USA modelo S-Sport, la cual tiene un rango de trabajo que va desde los 0 a los 500 C. Con esto ponemos los límites de trabajo en 350 C como temperatura en la cual debemos tener cuidado y a hacer caso a nuestro indicador. Y a la temperatura de 450 C es nuestro límite de trabajo, a esta temperatura el circuito tomara la decisión de detener el trabajo de nuestro motor. Para poder manipular los voltajes que entregue el termopar se necesita de implementar un amplificador de instrumentación. Al cual se describirá a continuación y se mostraran los cálculos de diseño del amplificador de instrumentación. Página 8

9 Amplificador de instrumentación Es un circuito que se usa para medir voltajes diferenciales, superpuestos sobre un voltaje de modo común más grande que la tensión diferencial. Se le llama también amplificador transductor, de error o amplificador de puente. El amplificador de instrumentación se usa para aumentar la sensibilidad del circuito y es uno de los amplificadores mas útiles, precisos y versátiles. Desventaja: Los valores menores que el nivel de ruido o se miden confiablemente. Requiere de entradas diferenciales muy pequeñas. Funcionamiento del amplificador de instrumentación. Este circuito se forma con tres amplificadores operacionales y siete resistencias. Obsérvese que el amplificador de instrumentación tiene dos etapas: una en un amplificador y otra que se acopla a un amplificador diferencial. Fig. 6. Diagrama eléctrico de un amplificador de instrumentación. La ecuación para calcular el voltaje de salida de un amplificador de instrumentación se muetr en la ecuación que se encuentra en la siguiente línea. Ecuación 2.Voltaje de salida de un amplificador de instrumentación. Para lograr amplificar el voltaje que entrega el termopar se necesita usar el amplificador de instrumentación debido a su alta impedancia de estrada. Esto ayuda porque si se intenta manipular estos voltajes tan pequeños lo seguro es que se perderá este voltaje. Gracias a la impedancia tan alta del amplificador de instrumentación se llegara a un nivel de voltaje que no se perder al meterlo a una etapa amplificadora. Para obtener una salida de Página 9

10 voltaje óptimo se hará a la resistencia R G variable para así poder manipular la ganancia de este amplificador. Como se ha planteado el problema luce interesante como solucionarlo así que se va a utilizar el termopar tipo K, ya que este es barato y muy confiable para nuestra aplicación. Se debe tomar en cuenta que este termopar va a entregar aproximadamente 41µV/ C. Por este motivo debemos obligar al amplificador de instrumentación que por lo menos entregue una ganancia de 50 para poder tener un voltaje aproximado de 14.3mV a los 350 C y 18.45mV a los 450 C. Por lo que se presenta en circuito amplificador de instrumentación para lograr con este fin. Fig. 7. Diagrama eléctrico del amplificador de instrumentación conectado al termopar. NOTA. Debido a que en algunos programas de simulación no incluyen los termopares se elaboro de manera rustica y lo simula la punta que está conectada al puente de resistencias. Esto parece si fuera una conexión pero no lo es, es nuestro sensor. Como ya se realizo la primera etapa con éxito ahora vamos sobre la segunda. Esta consiste en amplificar aun más el voltaje obtenido del amplificador de instrumentación. Ahora ya no se tiene el problema de poder desaparecer el voltaje del termopar debido a la amplificación antes dada. Esta nueva amplificación se hace debido a que el nivel de voltaje todavía es pequeño para hacer una comparación. Con etas voltaje los comparadores se volverían locos y los resultados no serian del nada confiables. Por este motivo se dará una amplificación extra de 10, con lo cual se tienen voltajes de 7.17V a los 350 C y de 9.22V a los 450 C. Con estos niveles de voltaje las comparaciones se harán de manera exitosa, ya que la diferencia entre el voltaje de alerta y el voltaje de riesgo es de 2.05V. Con lo que los comparadores trabajaran con mucha eficiencia. Ahora se mostrara el amplificador que nos brindara una amplificación extra de 10. Este amplificador solo va a amplificar el voltaje que reciba del amplificador de instrumentación, con lo la ecuación que lo rige es la siguiente: Página 10

11 Ecuación 3. Ecuación general para un amplificador con amplificador operacional. Con la ecuación anterior vamos a calcular la ganancia que deberá ser de 10. Fig. 8. Configuración del amplificador con ganancia de 10. Ahora pasaremos a la tercera etapa, que es la etapa de comparadores. En esta atapa compararemos el voltaje que sale del amplificador mostrado en la Fig. 7., con un voltaje de referencia. Este voltaje lo obtendremos mediante un divisor de tensión o bien colocando una resistencia variable, a la que manipularemos a placer. Para la comparación se utiliza un comparador de ventana. El cual va a comparar el voltaje que proviene del amplificador y un voltaje de referencia que se pondrá exactamente o casi exacto para tener la mejor respuesta. Este comparador se muestra en la figura siguiente. Fig. 9. Comparador de ventana. Ya con el comparador de ventana ya funcionando, pasamos a la siguiente etapa. Que es la última etapa de este proyecto, pero donde puede tener contradicciones desde el punto de vista del cual se observe. Esto por la decisión que se debe de tomar. Para esta última etapa se utiliza un moto r eléctrico como sustituto del motor de un auto, esto debido a las limitaciones del software. Cabe destacar que la decisión que se tomo, para cuando de llegue a la temperatura de riesgo se elige detener el motor. Claro está que no es la única alternativa, ya que podemos accionar un sistema de enfriado de balatas o tomar otra alternativa. Eso depende de la persona que implemente este dispositivo en su auto. Para terminar se opta por sacar de funcionamiento Página 11

12 al motor de manera que te obligue a salir del camino y esperar a que las balatas se enfríen y así poder continuar con tu camino. Esto consiste en tomar la salida del comparador que nos indica la temperatura de riesgo. Esta salida la conectamos a un transistor configurado como un switch. Este transistor nos va a proteger nuestro circuito de la fuerza electromotriz que se genera al cerrar o abrir el relay. Ese arreglo se muestra en la figura siguiente. Fig. 10. Etapa de potencia. Con todas las etapas que se han desarrollado hemos ayudado y dimos un gran paso en la seguridad en los vehículos. Aunque la idea está pensada para los vehículos de carga, es también aplicable a cualquier carro, camioneta, etc. Y no solo a vehículos si no que se puede emplear para procesos industriales donde por fricción se genere demasiado calor. Ahí también es aplicable. Después de todo se tiene la obligación de mostrar como es el proyecto completo, así que esto se muestra en la Fig. 10. El circuito completo de este proyecto. Para no confundirnos la luz amarilla indica una advertencia. La cual quiere decir que has llegado a los 350 C de temperatura en tus balatas y estas propenso a que estas se cristalicen. Si se hace caso omiso de la indicación en amarillo se encenderá entonces la luz roja, la cual indica que ya has llegado a los 450 C y entonces ya no hay marcha a tras, el circuito que se diseño va a deshabilitar el motor para que este no trabaje hasta que este debajo de esta temperatura. Página 12

13 Fig. 11. Diagrama eléctrico del proyecto. Al concluir este trabajo se llega a la conclusión de que el trabajo realizado tiene un fin muy especial, este es intentar salvar algunas vidas de personas como nosotros necesitan transportarse. Y esto se hace más seguro si implementamos nuestro circuito en sus vehículos. También obtuvimos resultados satisfactorios ya que el proyecto una vez montado en un auto trabajo de manera extraordinaria, aunque fue un poco difícil calentar las balatas a tal grado. Esto se debe porque los autos son muy ligeros y la fricción es muy poca. Lo contrario, en autos de carga también funciono de maravilla y fue más fácil alcanzar las temperaturas necesarias para hacer trabajar nuestro proyecto. Se alcanzaron de manera muy sencilla las temperaturas debido al peso de los vehículos y además algunos contaban con alguna, carga que facilito nuestro objetivo. Por otra parte, como ya se comentaba anteriormente las aplicaciones de este trabajo son muy amplias, debido a la combinación del movimiento con la electrónica. De manera que se puede aplicar desde un automóvil hasta utilizarlo en aplicaciones industriales. Las únicas observaciones que se pueden hacer son: tener cuidado de calibrar el circuito dependiendo a que aplicación se implementa el circuito. Si es en autos se debe conocer los rangos de trabajo de las balatas a utilizar. Ya que cada balata tiene características diferentes. Página 13

14 Y por último se debe tener cuidado de no aplicarlo en situaciones que rebasen los 2800 C, Que es el rango de trabajo del termopar utilizado en este proyecto. Si se requiere medir temperaturas mas altas a los 2800 C se debe utilizar otro tipo de termopar que si tolere esa temperatura. Bibliografía Además de entrevistas hechas a personas que trabajan en el rubro del transporte como lo son él: Señor Francisco Larios Fierro (transportista) con teléfono celular Y el señor Gerardo Gómez Jáuregui (transportista) con teléfono particular Página 14