Monitoreo de temperatura a distancia Fernando Cuadra Silva. cuadra2@gmail.com

Transcripción

1 Monitoreo de temperatura a distancia Fernando Cuadra Silva. cuadra@gmail.com ÍNDICE 1.- Medición de temperatura Termopares Monitoreo de temperatura a distancia El sensor de temperatura Conversor de voltaje a frecuencia El transmisor de FM El receptor de FM Convertidor de frecuencia a voltaje Medidor de gráfico de barras Alarma Despliegue Resultados Conclusiones Recomendaciones Referencias bibliográficas...16 RESUMEN: Debido a la necesidad de realizar múltiples actividades en la industria, no se puede monitorear un sistema durante todo el tiempo. Por esta razón es necesario encontrar una forma de hacerlo sin necesidad de estar a un lado del sistema, evitando peligros innecesarios y sin abarcar todo el periodo de actividad laboral. En este trabajo se presenta una forma de poder monitorear la temperatura de algún sistema a distancia. Consiste en un sensor de temperatura, el cual, su señal se transmite por medio de un transmisor de FM, para después, por medio de un receptor, captar la señal y realizar el monitoreo adecuado. También cuenta con una alarma en caso de que la temperatura del sistema a monitorear esté a punto de sobrepasar sus límites. Página 1

2 1.- Medición de temperatura La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material referido a un valor patrón definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los estados de la materia. Medir la temperatura es relativamente un concepto nuevo. Los primeros científicos entendían la diferencia entre 'frío' y 'caliente', pero no tenían un método para cuantificar los diferentes grados de calor hasta el siglo XVII. En 1597, el astrónomo Italiano Galileo Galilei inventó un simple termoscopio de agua, un artificio que consiste en un largo tubo de cristal invertido en una jarra sellada que contenía agua y aire. Cuando la jarra era calentada, el aire se expandía y empujaba hacia arriba el líquido en el tubo. El nivel del agua en el tubo podía ser comparado a diferentes temperaturas para mostrar los cambios relativos cuando se añadía o se retiraba calor, pero el termoscopio no permitía cuantificar la temperatura fácilmente. Varios años después, el físico e inventor Italiano Santorio Santorio mejoró el diseño de Galileo añadiendo una escala numérica al termoscopio. Estos primeros termoscopios dieron paso al desarrollo de los termómetros llenos de líquido comúnmente usados hoy en día. Los termómetros modernos funcionan sobre la base de la tendencia de algunos líquidos a expandirse cuándo se calientan. Cuando el fluido dentro del termómetro absorbe calor, se expande, ocupando un volumen mayor y forzando la subida del nivel del fluido dentro del tubo. Cuando el fluido se enfría, se contrae, ocupando un volumen menor y causando la caída del nivel del fluido. La temperatura es la medida de la cantidad de energía de un objeto. Ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se basan en puntos de referencia deben ser usadas para medir la temperatura con precisión. Hay tres escalas comúnmente usadas actualmente para medir la temperatura: la escala Fahrenheit ( F), la escala Celsius ( C), y la escala Kelvin (K). Una medida de la temperatura en cualquiera de estas escalas puede ser fácilmente convertida a otra escala usando estas simples fórmulas [1]. De hacia Fahrenheit hacia Celsius hacia Kelvin ºF F (ºF - 3)/1.8 (ºF-3)*5/ ºC (ºC * 1.8) + 3 C ºC K (K-73.15)*9/5+3 K K Tabla 1. Conversión de escalas Página

3 1.1.- Termopares El termopar se basa en el principio, del efecto que fuera descubierto en 181 por Seebeck, que establece que cuando la unión de dos materiales diferentes se encuentra a una temperatura diferente que la del medio ambiente, a través de esos materiales circulará una corriente. El uso de termopares en la industria se ha popularizado, ya que son altamente precisos y mucho más económicos que las termorresistencias. Las termocupulas constituyen hoy en día el sistema de medición de temperatura más usado y de mejor acceso. Una termocupula consiste de un par de conductores de diferentes metales o aleaciones. Uno de los extremos, la junta de medición, está colocado en el lugar donde se ha de medir 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.esta forma de medición abarca el rango de temperaturas requerido para la mayoría de las mediciones exigidas. Termocupulas de diferentes tipos pueden cubrir un rango de 50 C hasta.000 C y más si fuera necesario []..- Monitoreo de temperatura a distancia Al medir la temperatura de un sistema (caldera, máquinas, etc.) se busca que la respuesta sea rápida para poder determinar si el sistema esta funcionando adecuadamente. Por esta razón se plantea una forma de monitorear la temperatura de forma rápida y sin necesidad de acercarse al sistema con el fin de evitar peligros innecesarios. Este trabajo plantea un dispositivo que consta de varias etapas: el sensor y acondicionamiento, conversor de voltaje a frecuencia, transmisor de FM, receptor de FM, conversor de frecuencia a voltaje, alarma y despliegue. El siguiente diagrama a bloques describe el funcionamiento del circuito. Página 3

4 SENSOR CONVERSOR DE VOLTAJE A FRECUENCIA TRANSMISOR DE FM RECEPTOR DE FM MICROCONTROLADOR Y DESPLIEGUE CONVERSOR DE FRECUENCIA A VOLTAJE ALARMA MEDIDOR DE GRÁFICO DE BARRAS Figura 1. Diagrama a bloques A continuación se explican cada una de las partes que componen el dispositivo..1.- El sensor de temperatura Debido a que en ciertos sistemas la temperatura puede cambiar en rangos muy amplios, es necesario utilizar un sensor capaz de obtener lecturas en esos rangos y de forma rápida. Por esta razón se elige el termopar tipo K como sensor de temperatura, pues tiene una constante de tiempo pequeña y trabaja en rangos de -00 C a 100 C [3]. Para acondicionar el termopar se utiliza un amplificador de instrumentación, ya que este tiene la capacidad de amplificar pequeñas variaciones de voltaje y así aumentar la sensibilidad del sensor, el cual tiene una sensibilidad aproximada de 40µV/ C. También es necesario agregarle un voltaje de referencia (se utiliza el circuito LM35, el cual nos da un voltaje de referencia de acuerdo a la temperatura del medio ambiente). La siguiente figura muestra la conexión del termopar al amplificador de instrumentación para su acondicionamiento. Página 4

5 RG Figura. Sensor y acondicionamiento Con RG se calibra la sensibilidad. Para ello se toma la escala máxima de temperatura a medir y se calibra para que nos de una sensibilidad de 10mV/ C. El circuito LM35 se debe de colocar un poco alejado del sistema a medir (de preferencia fuera del sistema), para que nos otorgue un voltaje de referencia adecuado. El siguiente paso es realizar una conversión de voltaje a frecuencia para después transmitir la señal a RF...- Conversor de voltaje a frecuencia Para convertir el voltaje de salida del amplificador de instrumentación a una frecuencia para poder transmitirla por RF se utiliza el circuito integrado LM331. Básicamente, este circuito integrado, como cualquier otro convertidor de voltaje a frecuencia, es un oscilador de relajación que genera una frecuencia de salida proporcional a un voltaje de entrada. Página 5

6 A continuación se enuncia la ecuación que gobierna su funcionamiento: VIN fout =.09V Rs R L 1 R C t t (1) La figura 3 nos muestra la configuración de este circuito para un buen funcionamiento. Figura 3. Configuración dellm331 El potenciómetro de 5kOhms se ajusta para que tenga una frecuencia de salida de 1kHz/volt. La siguiente etapa es realizar el transmisor de FM para transportar la señal de forma inalámbrica hasta el lugar en donde se va a monitorear..3.- El transmisor de FM El circuito integrado BA1404 contiene un modulador de FM estéreo y un amplificador de RF [4]. Este microcircuito transmite FM en la banda de 40MHz a 108 MHz. Se alimenta desde 1.5 volts a 3 volts máximo. Página 6

7 Figura 4. Transmisor de FM Se requiere transmitir a una frecuencia de 49MHz, se le da un valor al capacitor de 3pF y se calcula la inductancia de la bobina a partir de la ecuación f = π 1 LC () Se despeja para L: 1 1 L = = 3.51µ H 6 1 ( π) f C ( π ) ( Hz) ( 3 10 F) = (3) Se utiliza un núcleo de ferrita de 5mm de diámetro y 5mm de longitud. A continuación se calcula el número de vueltas que se requiere para la bobina. permeabili dad _ ferrita = µ longitud = 0.005mts 0 10 = (4π 10 7 )(10) n L = A µ l 0 10 (4) Página 7

8 Se despeja para el número de vueltas n : n = L l A µ 10 0 (5) El área de la ferrita es: π A = ( diametro) = (0.005m) = 4 π m (6) Se sustituyen los valores en la ecuación 5: n = 6 ( H) (0.0000m (0.005m) 7 )(4π 10 )(10) n = 8.35vueltas 8vueltas (7) (8) De aquí se obtiene que para transmitir a 49MHz se necesita el capacitor de 3pF (de preferencia variable para realizar ajustes) y la bobina de 3.51microHenry (8 vueltas de alambre alrededor de un núcleo de ferrita de 5mm de diámetro y 5mm de largo). El tamaño de la antena se calcula de la siguiente forma: λ = c f ( m / s) = = 6.1mts ( ciclos / s) 6.1m tamaño antena = = 1. 53m 4 (9) (10) Como la antena es demasiado grande se busca un submúltiplo: 1.53m tamaño antena = =. 38m 4 (11) Página 8

9 .4.- El receptor de FM El TDA7010T es un circuito integrado con un PLL y una frecuencia intermedia de 70kHz. Esta frecuencia intermedia se obtiene con los filtros RC. La única función que necesita ajuste es el circuito resonante (oscilador) que selecciona la frecuencia de recepción. Frecuencias espurias son eliminadas por un circuito de silencio, que también elimina ruidos en la entrada. Se alimenta de.7 volts a 10 volts [5]. Figura 5. Receptor de FM Página 9

10 En la figura 5 se describe la configuración de este circuito. Para recibir la frecuencia de 49MHz se requiere calcular los capacitares Cp, Cv y Cs. A continuación se describen estos cálculos. f = π 1 LC (1) Se despeja C: C = π Se sustituyen los valores de L y f: C = 1 ( ) L f ( π ) ( H) ( Hz) C = = 188pF (13) (14) (15) Pero : C CvCs = Cp + Cv + Cs (16) Se le dan valores aleatorios a Cv y Cs: Cv = 7pF Cs = 10nF Se despeja para Cp: Cp = CvCs Cp = C Cv + Cs 1 9 ( 7 10 )( ) 1 9 ( 7 10 ) + ( ) Cp = 91pF (17) (18) (19) De aquí se obtiene que Cv = 7pF, Cs = 10nF y Cp = 91pF. Cv es un capacitor variable para realizar pequeños ajustes. El tamaño de la antena también es de 0.38mts. Página 10

11 .5.- Convertidor de frecuencia a voltaje Al recibir la frecuencia del sensor se procede a convertir esa frecuencia en un voltaje para poder manipular la señal. Se utiliza el circuito integrado LM907. La configuración es la siguiente: Figura 6. Convertidor de frecuencia a voltaje A R1 se le da un valor de 8.33kOhms y se ajusta para que nos de un voltaje de salida de 1volt/1kHz Cabe señalar que se necesita de un buffer en la entrada del LM907 para su funcionamiento..6.- Medidor de gráfico de barras El medidor de gráfico de barras nos proporciona una indicación visual de la temperatura. Esto con el fin de facilitar el monitoreo. Se utiliza el circuito integrado LM3914. Su configuración es la que se muestra en la figura 7. Página 11

12 VCC 5V VDD 1V Vin R R1 LM kΩ 1kΩ Figura 7. Medidor de gráfico de barras Las resistencias se calculan para que se enciendan todos los LED s cuando la temperatura llegue a los 100 C. Como el voltaje de salida del convertidor de frecuencia a voltaje nos da 10mV/ C quiere decir que 100 C equivalen a 1V. La fórmula para calcular las resistencias es la siguiente: Vout _ ref R = R1 A R1 se le da un valor de 1kOhm, a Vout ref se le da un valor de 1V y se despeja R de la ecuación 0: (0) Vout _ ref R = 1 R V R = Ω 1.5V R = 8. 6kΩ (1) () (3) Página 1

13 .7.- Alarma La alarma se enciende cuando la temperatura llega a los 1100 C. Solamente se necesita de un comparador y un buzzer. El diagrama es el siguiente: VCC 5V Vin R1 Q1 VDD 1V Key = 50% A 1kΩ 10kΩ 1kΩ NA U1 SONALERT 500 Hz Figura 8. Alarma El voltaje de referencia (11V en la entrada inversora) se establece con un divisor de tensión. 10kΩ 11 = 1V 10kΩ + R 10kΩ R = 1V 10kΩ = 909Ω 11 (4) (5) R es un potenciómetro que se debe de ajustar a un valor de 909 Ohms. Página 13

14 .8.- Despliegue Para el despliegue se utiliza el microcontrolador AT89S5 [6]. El algoritmo básicamente consiste en contar los pulsos de la salida del receptor de FM, dividirlos entre diez (puesto que 10Hz equivalen a 1 C) y convertirlos a BCD para después mandar la información a display s de 7 segmentos. El algoritmo se demuestra en el siguiente diagrama de flujo: INICIO INICIAR CONTADOR RETARDO 1 SEGUNDO PARAR CONTADOR DIVIDIR / 10 CONVERSIÓN A BCD MANDAR AL PUERTO Figura 9. Diagrama de flujo Página 14

15 La figura 10 muestra el arreglo para el microcontrolador. 1MHz Figura 10. Despliegue con microcontrolador El microcontrolador AT89S5 requiere de un buffer debido a que no puede manejar suficiente corriente. Por esta razón se debe de agregar el microcircuito 74LS45. También se le agrega el convertidor de BCD a 7 segmentos 74LS47N. 4.- Resultados El sistema es capaz de medir temperaturas desde 0 C hasta 100 C (máximo rango del sensor) [3]. El alcance máximo es de aproximadamente 150mts, dependiendo del tamaño de la antena. La resolución es de 0.1 C. Sus aplicaciones son industriales aunque se puede utilizar en cualquier lugar. El termopar es un poco sensible al ruido, sin embargo si se aterriza adecuadamente el ruido desaparece. Sintonizar el oscilador del transmisor es un poco difícil pues una pequeña variación del capacitor nos cambia mucho la frecuencia. Si este capacitor se cambia por un arreglo de capacitores en serie y paralelo se puede solucionar este problema. Otra forma de solucionarlo es dejando el capacitor fijo y poner una bobina variable. En caso de que el sistema a medir requiera de un límite de temperatura menor al especificado, se recomienda realizar los ajustes necesarios a la alarma y al medidor de gráfico de barras. Página 15

16 4.1.- Conclusiones El sistema de monitoreo de temperatura a distancia nos da la facilidad de poder medir temperatura desde cualquier lugar dentro de la industria. Esto puede evitar ciertos accidentes al momento de medir la temperatura de calderas u otros sistemas, pues al estar alejado, los riesgos de sufrir un accidente son nulos. Otro beneficio de contar con este sistema es que se puede ajustar una alarma en caso de que el sistema sobrepase una temperatura límite. Con esto se logra estar siempre al pendiente del sistema, pues se pueden evitar sobrecalentamientos y con ello impedir descompostura del sistema monitoreado Recomendaciones Para el desarrollo del proyecto se deben de utilizar resistores de precisión, así como utilizar potenciómetros multivuelta para facilitar todos los ajustes. Se recomienda que se prueben cada una de las etapas por separado para ajustar adecuadamente los circuitos y además para poder detectar posibles errores en caso de tenerlos. Para el transmisor y receptor de FM, si se requiere tener más alcance se debe de aumentar el tamaño de la antena. Para un mejor funcionamiento, los amplificadores operacionales deben tener entrada JFET (como el TL081). 5.- Referencias bibliográficas [1] [] [3] [4] [5] [6] I. Scott Mackenzie,The 8051 Microcontroller (Ed. Prentice Hall, New Jersey), 81-84, (1999). [7] Hojas de datos: LM35, AD60, LM331, LM907, LM3914, TL081, 74LS45 y 74LS47N. Página 16