Práctica No 2: Transductores de Temperatura

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1 Universidad Nacional Experimental del Táchira. Departamento de Ingeniería Electrónica. Núcleo de Instrumentación y Control. Bioinstrumentación I Revisada por: Prof. Rafael Volcanes. Tec. Carlos Alba, Tec. Alba Ramirez. Elab. 16 Sept 2010 INTRODUCCION. Práctica No 2: Transductores de Temperatura La temperatura corporal del paciente da al médico una información importante acerca del estado fisiológico del individuo. La temperatura corporal externa es uno de los muchos parámetros utilizados para evaluar pacientes en shock. Las infecciones, por otro lado, se manifiestan por un incremento de la temperatura corporal. La anestesia disminuye la temperatura corporal ya que deprime el centro termoregulatorio. En algunos casos quirúrgicos se emplea la hipotermia con el fin de disminuir los procesos metabólicos y la circulación sanguínea del paciente. Se podría elaborar una lista muy extensa de las razones que justifiquen manipular la temperatura como un parámetro clínico de gran interés, por ello su medición se hace muy importante. La siguiente práctica de laboratorio ilustra el empleo de sensores de temperatura y su conversión en impedancias y voltajes de acuerdo al principio de transducción que rige a cada uno de ellos. Igualmente, el empleo y utilidad de un switch térmico es mostrado en la misma. OBJETIVO GENERAL Introducir al estudiante en el estudio y comprensión de las características y principio de funcionamiento de diversos Transductores de Temperatura. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Identificar los diferentes tipos de Transductores de Temperatura. 2. Clasificar los diferentes Transductores de Temperatura en Resistivos, Moduladores y Generadores. 3. Obtener la curva característica de los diferentes Transductores de Temperatura, ante un rango de Temperatura determinado. 4. Calcular la sensibilidad y/o coeficiente de Temperatura de los diferentes Transductores de Temperatura.

2 CONCEPTOS TEÓRICOS 1. Transductores Resistivos y Generadores. 2. No linealidad del Termistor. 3. Efectos Seebeck, Peltier y Thompson. 4. Detectores de Temperatura Resistivos. 5. Termocuplas. 6. PT Diodo Común como Transductor de temperatura. 8. Coeficiente de Temperatura (NTC y PTC) 9. Efectos de la Temperatura en materiales Conductores y Semiconductores. ACTIVIDADES DE PRE-LABORATORIO 1. Indique las diferencias entre Transductores Resistivos y Transductores Generadores. 2. Explique en qué consiste el Efecto Seebeck, el Efecto Peltier y el Efecto Thompson. 3. Que es una Termocupla? Cuál es su principio de funcionamiento?? 4. Describa el Termistor, indique su principio de funcionamiento Cuál es la ecuación que modela su comportamiento? 5. Que se entiende por Coeficiente de Temperatura (NTC y PTC)? MATERIALES Y EQUIPOS 1 ProtoBoard. 1 Fuente de Voltaje DC Variable. 1 Multímetro Digital. 1 Resistencia de 2.2KΩ a 0.25 W 1 Resistencia de 10 KΩ a 0.25 W. 1 Resistencia de 33 KΩ a 0.25 W. 2 Resistencias de 100 KΩ a 0.25 W. 1 Condensador de 100 µf de 50 V. 1 LM35 Sensor de Precisión de Temperatura 1 Diodo Común 1 Switch DPST (Switch Térmico). 1 Unidad de Transductor y Control de Temperatura Mod G34/EV 1 Unidad Exterior de Procesos Modelo TY/34 EV DESARROLLO Parte 1: Termistor 1. Para obtener la curva Resistencia Temperatura del Termistor, se hará uso de una Unidad Exterior de Generación de la Magnitud Física mod. TY34/EV (Figura Nº 1) a fin de lograr la variación de temperatura en el aire.

3 Figura N 1 2. Medir la resistencia del Termistor a temperatura ambiente (Resistencia en Frío). Para ello, deberá conectar el terminal 22 del módulo STT CONDITIONER de la Unidad de transductor y control de temperatura mod. G34/EV con el terminal 10 del módulo TEMPERATURE METER. 3. Conecte el terminal 2 del módulo SET POINT de la Unidad G34/EV con el terminal 10 del módulo TEMPERATURE METER Y ajuste el control de SET POINT a fin de obtener un aumento de temperatura en la TY34/EV. 4. Introduzca el Termómetro de Mercurio y el Termistor dentro de la TY34/EV. 5. Variar el control de SET POINT de la unidad TRANSDUCTOR Y CONTROL DE TEMPERATURA mod. G34/EV y medir la resistencia del Termistor a las temperaturas que se indican en la tabla N Graficar en papel milimetrado la curva Resistencia-Temperatura. 7. Calcular el coeficiente de Temperatura del Termistor tomando en cuenta los datos obtenidos en los pasos anteriores. 8. Sacar el transductor repentinamente y medir la velocidad con la que vuelve a sus valores de temperatura ambientales o respuesta de frecuencia del mismo. Repetir este paso para cada uno de los sensores que se evaluaran. Parte 2: Termocupla 1. Monte nuevamente el arreglo mostrado en la Figura N Identifique las terminales de la Termocupla (Positivo y Negativo).

4 3. Conecte el tester a las terminales de la Termocupla, tal y como se muestra en la Figura N 2. + TERMOCUPLA - + _ Figura N 2 4. Mida el voltaje de la Termocupla Temperatura ambiente. 5. Introdúzcala junto al Termómetro de Mercurio en la unidad TY34/EV. N Mida el Voltaje de la Termocupla a las temperaturas que se indican en la tabla 7. Grafique la curva Voltaje-Temperatura de la Termocupla. 8. Calcule la sensibilidad de la Termocupla tomando en cuenta los datos de la tabla N 1. SUGERENCIA: A fin de ahorrar tiempo en la realización de la práctica, puede realizar simultáneamente las experiencias de la Parte 1 y 2, introduciendo ambos transductores en la unidad TY34/EV. Parte 3: LM35 (Precision Temperature Sensor) 1. Identifique las terminales del LM35 haciendo uso de la hoja de datos (Linear DataBook) mostrada en el Apéndice B: Figura N 3 2. Energizar al LM35 de acuerdo a los voltajes indicados por el fabricante.

5 3. Medir el Voltaje de salida del LM35 a temperatura ambiente. 4. Introduzca el Termómetro de Mercurio junto al LM35 en la unidad TY34/EV. 5. Variar la temperatura empleando el control de SET POINT de la unidad G34/EV y medir el voltaje de salida del LM35 a las temperaturas que se indican en la tabla N Grafique la curva Voltaje-Temperatura del LM Demuestre que el coeficiente de temperatura del LM35 es 10mV/ C. Parte 4: Diodo Común utilizado como sensor de Temperatura. 1. Ensamble el siguiente circuito: Figura N 4 2. Medir el voltaje del Diodo en directo a Temperatura ambiente. 3. Introduzca el Diodo en la unidad TY34/EV de la misma manera como se ha venido haciendo con los otros transductores. 4. Variar la temperatura y medir el voltaje del diodo hasta completar la tabla N Grafique la curva Voltaje-Temperatura del Diodo Común. 6. Demuestre que el coeficiente de temperatura del Diodo Común es 2mV/ C. SUGERENCIA: A fin de ahorrar tiempo en la realización de la práctica, puede realizar simultáneamente las experiencias de la Parte 3 y 4, introduciendo ambos transductores en la unidad TY34/EV. Parte 5: Switch Térmico 1. Para evaluar las características de un switch térmico y un termostato debe colocar un termómetro de mercurio pegado al térmico, un tester en continuidad, entre los terminales del térmico y caliente con un cautín hasta lograr la temperatura de desactivación, en la cual debe indicar el tester un circuito abierto. 2. Realice la misma operación con el termostato y haga varias mediciones variando el tornillo de ajuste de temperatura desde completamente flojo hasta completamente

6 apretado, haga variaciones de 2 o 3 vueltas. Grafique la curva posición del tornillotemperatura de desactivación. Tabla N 1 Temperatura ºC Termistor () Termocupla (V) LM-35 (V) Diodo Común (V) ACTIVIDADES DE POST-LABORATORIO 1. En un amplio rango de Temperatura, Cómo se determina la sensibilidad de un Termistor? 2. Con breves palabras, Cómo es la respuesta en frecuencia de cada uno de los transductores utilizados en la práctica? 3. Cuáles son las ventajas que presenta un termistor frente a una termocupla? 4. Haciendo énfasis en el LM35 y en el Diodo Común, Si se llegara a variar su alimentación, se observaría algún cambio en la sensibilidad de estos Transductores? 5. Grafique la tabla mostrada en el Apéndice B para una termocupla tipo K y compare con la gráfica de la termocupla obtenida en el laboratorio. Cuál de ellas es más sensible? Qué otra conclusión podría deducir de ambas gráficas?. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS PALLAS, Ramón, Sensores y Acondicionadores de Señal (1.998) 3ra Edición, Marcombo Editores, España. TOCCI, Alvaro, Instrumentación Biomédica, Universidad de los Andes Mérida. WEBSTER, Jhon, Medical Instrumentation Aplication and Design (1.992) 2da Edición Hougthon Mifflin Company, USA. WILCHEZ, Mauricio, Bioinstrumentación, Universidad de Antioquia

7 El módulo mod. G34/EV, junto con la unidad exterior de procesos mod. TY34/EV, permite el desarrollo de una amplia serie de prácticas sobre los siguientes temas: Análisis de los transductores de temperatura y los circuitos de acondicionamiento correspondientes Control automático de temperatura con controlador PID TRANSDUCTOR Y CONTROL DE TEMPERATURA mod. G34/EV Este módulo ha sido diseñado y realizado con los mismos componentes, circuitos y técnicas que se utilizan en el ámbito profesional. En un laboratorio didáctico de control de procesos, este módulo representa el instrumento necesario para una formación, de nivel elevado, sobre los temas teóricos y prácticos referentes a: Transductores de temperatura y acondicionadores de señal correspondientes Control de temperatura con controladores PID El desarrollo de las prácticas se lleva a cabo mediante el uso del módulo junto con la unidad exterior mod. TY34/EV, la cual incorpora el proceso de temperatura propiamente dicho y los transductores. El módulo mod. G34/EV consta de diez circuitos y cada uno de ellos cumple una función diferente. Cada circuito está delimitado por una línea segmentada que encierra el diagrama eléctrico del circuito mismo, del cual resultan asequibles las entradas y las salidas para tomar las medidas con un osciloscopio o un multímetro. Los principales circuitos presentes en el módulo mod. G34/EV son: Set-point Amplificador de error Acondicionadores de señal del transductor Controlador PID

8 Amplificadores de potencia con TRIAC para alimentar los componentes calefactores Amplificador de transistores bipolares BJT para alimentar el ventilador de refrigeración. La predisposición del set-point (de temperatura) se realiza a través de un potenciómetro rotativo y una referencia de tensión interna. Los dos potenciómetros rotativos permiten la predisposición, de forma independiente, de los valores de los parámetros P y D para la calibración del controlador PID. Los acondicionadores de señal son tres, uno por cada transductor utilizado. Los transductores de temperatura se encuentran en la unidad exterior mod. TY34/EV y son: Transductor semiconductivo industrial (PTC) Termorresistencia industrial Pt-100 Termopar de tipo J La conexión entre el módulo y la unidad exterior mod. TY34/EV se lleva a cabo por medio de cuatro terminales y tres conectores DIN con 8 polos. Los componentes resistivos calefactores y el ventilador de refrigeración se alimentan a través de los cuatro terminales, mientras que las señales de los transductores se conectan al módulo por medio de los conectores DIN. El programa de formación se completa mediante la utilización del software de supervisión y control del proceso a través del ordenador personal. UNIDAD EXTERIOR DE GENERACIÓN DE LA MAGNITUD FÍSICA mod. TY34/EV El proceso de temperatura está constituido por la unidad mod. TY34/EV, la cual principalmente está constituida por: 3 Transductores de temperatura (termopar, termorresistencia, PTC) Componentes resistivos calefactores Ventilador de refrigeración Termómetro de mercurio para la indicación de la temperatura del proceso El proceso consta de una placa en aluminio, calentada por los componentes resistivos alimentados por el amplificador de potencia a parcialización de fase con TRIAC, presente en el módulo mod. G34/EV. Las señales procedentes de los sensores llegan al módulo a través de tres cables DIN con 8 polos, donde son procesadas por los circuitos de acondicionamiento para las exigencias de control. Un termómetro de mercurio puesto en el flanco superior de la unidad mod. TY34/EV permite la lectura directa de la temperatura alcanzada por el proceso. El sólido contenedor de la unidad exterior mod. TY34/EV es de tipo metálico con camisa termoaislante. PROGRAMA DE FORMACIÓN El módulo mod. G34/EV permite el análisis teórico y la realización de prácticas sobre los siguientes temas principales: Características generales de los transductores Acondicionadores de señal Transductor semiconductivo de temperatura (PTC) industrial Trazado de las características de un PTC industrial Determinación de la linealidad de un PTC industrial Termorresistencia industrial Trazado de las características de una termorresistencia Determinación de la linealidad de una termorresistencia Termopar industrial Trazado de las características de un termopar industrial Determinación de la linealidad de un termopar Estudio y calibración de los acondicionadores de señal para: - PTC - Termorresistencia - Termopar Trazado de las características del proceso de temperatura Respuesta del proceso utilizando un controlador con acciones independientes: - Proporcional - Integral - Derivativa Estabilización del control de procesos Verificación de la intervención del control en lazo cerrado en presencia de interferencia Estudio del amplificador a parcialización de fase con TRIAC Detección de tensiones, corrientes y formas de onda significativas en varios puntos del circuito

9 Análisis y utilización del software para la realización de prácticas de supervisión y control del proceso a través del ordenador personal CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS mod. G34/EV Panel delantero, realizado en material aislante, con los diferentes circuitos que constituyen el módulo y el diagrama eléctrico de cada uno de ellos representados en serigrafía Bujes de medida y conexión Acondicionador para termorresistencia Pt-100 con generador de corriente constante y eliminación de la influencia de la línea con el método de los tres hilos Acondicionador para transductor PTC con linealización de la característica Acondicionador para termopar de tipo J con compensación del empalme frío Generador de tensión de referencia (set-point) con estabilizador incorporado Potenciómetro rotativo para la predisposición del set-point de temperatura Amplificador de error Amplificador de potencia, con parcialización de fase con TRIAC, alimentado con baja tensión, para la alimentación del elemento calefactor Amplificador de potencia de transistores bipolares para el control del ventilador de refrigeración Componentes calefactores constituidos por resistencias (24 Vca, 100 W) Características de los transductores y los acondicionadores: - Margen de entrada de la temperatura: Tamb-250 C - Margen de salida de la tensión: 0 8 V Termómetro digital con indicación de la temperatura por medio de un display de 7 segmentos y 3 cifras Controlador PID con acciones independientes P, I, D 2 Potenciómetros rotativos para la predisposición independiente de los parámetros P y D, con amplios márgenes de regulación 2 Bujes de salida del amplificador con TRIAC para la alimentación del elemento calefactor de la unidad exterior mod. TY34/EV 2 Bujes de salida del amplificador de potencia para el mando del ventilador de refrigeración de la unidad exterior mod. TY34/EV 3 Conectores para cable DIN con 8 polos, para la conexión del módulo con la unidad exterior mod. TY34/EV 3 Cables de conexión DIN con 8 polos DIM.: 386x372x40 mm CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS mod. TY34/EV La unidad exterior mod. TY34/EV está constituida por: - Contenedor metálico con camisa termoaislante - Transductor de temperatura PTC - Termopar de tipo J - Termorresistencia Pt Placa en aluminio, donde se cumple el proceso - Ventilador de refrigeración - Termómetro de mercurio 2 Bujes para el mando de las resistencias calefactoras por parte del módulo mod. G34/EV 2 Bujes para el mando del ventilador por parte del módulo mod. G34/EV 2 Asas laterales encajables para facilitar el desplazamiento

10 Type K Thermocouple EMF Values o C