Sistema de calibración para un

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1 Sistema de calibración para un instrumento de medición de temperatura PT100 Daniel Eduardo Ávila Velandia Ingeniería Electrónica, Maestría En Ingeniería Mecatrónica, Universidad Militar Nueva Granada. Juan Ricardo Clavijo Mendoza Ingeniería Electrónica, Universidad Militar Nueva Granada. Recibido: , aceptado: , versión final: Resumen Este artículo presenta el desarrollo experimental de las características estáticas y dinámicas de la variable física de temperatura, para el instrumento de medición PT 100 a través de la interfaz entre el hardware y Labview. Palabras clave: Proceso físico, temperatura, medición, calibración, normalización Abstract This paper presents the experimental development of static and dynamic characteristics of the physical variable temperature measuring instrument for PT 100 through the interface between the hardware and Labview. Keywords: Physical process, temperature, measurement, calibration, standardization 55

2 Sistema de calibración para un instrumento de medición de temperatura PT Introducción La medición de magnitudes mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas en procesos industriales, se realiza empleando dispositivos denominados sensores y transductores. El sensor es sensible a los cambios de la magnitud a medir, como una temperatura, una posición o una concentración química. 56 El transductor convierte estas mediciones en señales eléctricas, que pueden alimentar a instrumentos de lectura, registro, transmisión o control de las magnitudes medidas. Los sensores y transductores pueden funcionar en ubicaciones alejadas del observador, así como en entorno sin adecuados o inaccesibles para los seres humanos. Algunos dispositivos actúan de forma simultánea como sensor y transductor. Existe una gran variedad de sensores para la medición de temperatura, entre los cuales se pueden nombrar las termoresistencias, los termistores, los termopares o termocuplas, los termostatos y los pirómetros entre otros. Un termopar consta de dos uniones de diferentes metales que generan una pequeña tensión que depende del diferencial térmico entre las uniones. El termistor es un reóstato especial, cuya resistencia varía según la temperatura. El sensor PT-100 es un sensor de temperatura que basa su funcionamiento en la variación de resistencia a cambios de temperatura del medio. La señal de salida en ohm es lineal y proporcional a la temperatura medida. Por su forma, el sensor tiene una muy buena respuesta a los cambios de temperatura. En la figura 1 se observa su estructura. El elemento consiste en un arrollamiento muy fino de Platino bobinado entre capas de material aislante y protegido por un revestimiento cerámico. Figura 1. Sensor de Temperatura PT100.[1] El material que forma el conductor (platino), posee un coeficiente de temperatura de resistencia α, el cual determina la variación de la resistencia del conductor por cada grado que cambia su temperatura según la ecuación [1] Rt = Ro (1 +αt) Ec (1) Donde: Ro = resistencia en Ω(ohms) a 0 C Rt = resistencia en Ω(ohms) a t C t = temperatura actual α = coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0 C y 100 C es de Ωx(1/Ω)x(1/ C) en la escala Práctica de Temperaturas Internacionales. Otra clase de resistencias, son las PTC, que son resistencias a base de un semiconductor. Estos suelen presentar coeficientes de sensibilidad mayores en caso de metales, pero a costa de una gran pérdida de linealidad. Las PTC (Positive Temperature Coeficient) son resistencias construidas a base de óxidos de Bario y Titanio, que muestran cambios muy bruscos de valor a partir de una cierta temperatura. Precisamente la temperatura de cambio es un parámetro característico de las PTC.

3 Daniel Eduardo Ávila Velandia, Juan Ricardo Clavijo Mendoza, Robinson Jiménez Moreno 2. Características estáticas y dinámicas Los sensores o transductores se encargan de convertir una señal física (temperatura, luz, sonido, etc) en una señal eléctrica de corriente o voltaje que puede ser manipulada (medida, amplificada, transmitida). Características generales de los sensores El transductor ideal sería aquel en que la relación entre la magnitud de entrada y la magnitud de salida fuese proporcional y de respuesta instantánea e idéntica para todos los elementos de un mismo tipo. Sin embargo, la respuesta real de los transductores nunca es del todo lineal, tiene un rango limitado de validez, suele estar afectada por perturbaciones del entorno exterior y tiene un cierto retardo en la respuesta. Las características de los transductores se pueden agrupar en dos grandes bloques: Características estáticas, que describen la actuación del sensor en régimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir. Características dinámicas, que describen el comportamiento del sensor en régimen transitorio. Características Estáticas Rango de medida: El conjunto de valores que puede tomar la señal de entrada comprendidos entre el máximo y el mínimo detectados por el sensor con una tolerancia de error aceptable. Resolución: Indica la capacidad del sensor para discernir entre valores muy próximos de la variable de entrada. Determina que variación de la señal de entrada produce una variación detectable en la señal de salida. Precisión: Define la variación máxima entre la salida real obtenida y la salida teórica dada como patrón para el sensor. Repetitividad: Indica la máxima variación entre valores de salida obtenidos al medir varias veces la misma entrada con el mismo sensor y en idénticas condiciones ambientales. Linealidad: Un transductor es lineal si existe una constante de proporcionalidad única que relaciona los incrementos de la señal de salida con los respectivos incrementos de la señal de entrada en todo el rango de medida. Sensibilidad: Indica la mayor o menor variación de la señal de salida por unidad de la magnitud de entrada. Cuanto mayor sea la variación de la señal de salida producida por una variación en la señal de entrada, el sensor es más sensible. Ruido: Cualquier perturbación aleatoria del propio sistema de medida que afecta la señal que se quiere medir. Características Dinámicas Velocidad de respuesta: Mide la capacidad del sensor para que la señal de salida siga sin retraso las variaciones de la señal de entrada. Respuesta en frecuencia: Mide la capacidad del sensor para seguir las variaciones de la señal de entrada a medida que aumenta la frecuencia, generalmente los sensores convencionales presentan una respuesta de tipo pasabajos. Estabilidad: Indica la desviación en la salida del sensor con respecto al valor teórico dado, al variar parámetros exteriores distintos al que se quiere medir (condiciones ambientales, alimentación). 3. Procedimiento Para la determinación de las características dinámicas y estáticas de la variable de temperatura 57

4 Sistema de calibración para un instrumento de medición de temperatura PT100 del sensor PT 100 inicialmente se implementa la simulación del circuito en proteus de la figura 2, con la aplicación del puente de wheatstone para obtener la variación de la resistencia de acuerdo a los cambios de temperatura. Figura 4. Software en Labview Figura 2. Simulación circuito electrónico. El siguiente paso es desarrollar el hardware de la figura 3, conformado por resistencias de precisión, amplificador AD 620, microcontrolador 16F688 y conexión de salida para el sensor. Tabla 1. Resistencia y temperatura Resistencia Ω Temperatura C Con los datos de la tabla 1 se linealiza y se determina las constantes con la ecuación (2). Y=mx+b Ec(2) Donde y = temperatura, x = Resistencia, por lo tanto al reemplazar los valores se tiene las constantes m = , b = , con las cuales ya se puede obtener la medición real en labview. 58 Figura 3. Hardware sensor PT100 Se diseña el software de la figura 4 a través de labview para la adquisición de datos del sensor con la interfaz del hardware, a través del puerto serial para obtener la variación de la resistencia y temperatura. La calibración del sensor se realiza mediante la medición de dos temperatura (frio, caliente) con el termómetro infrarrojo y el cambio de la resistencia de la PT 100.En la tabla 1 se observan los valores. Con el circuito implementado de la figura 5, se realizan los cálculos para determinar la variación de la resistencia cuando aumenta y disminuye la temperatura Figura 5. Circuito diseñado de la PT 100. [5]

5 Daniel Eduardo Ávila Velandia, Juan Ricardo Clavijo Mendoza, Robinson Jiménez Moreno La referencia del circuito de 3.08V, puede estar en un valor máximo ó mínimo de voltaje como se muestra en la figura 5, por lo tanto se puede calcular la resistencia y temperatura máxima y mínima a la que puede variar el sensor de acuerdo al circuito implementado. Para hallar el rango se realiza los siguientes cálculos: Cuando Vm=5V (v1-v2)g=vm V (v1-v2)g=5v V (v1-v2)=1.92/6.98=0.27v temperatura que soporta el hardware ó circuito según el voltaje de referencia. El rango que se puede medir es de -45 C a C. El span se obtiene al realizar la diferencia entre la temperatura máxima y mínima, en la cual se tiene que es de C. La resolución es (77.26 C + 45 C)/1024 bits=0.12 C. La repetitividad se determina mediante la toma de varios datos del sensor en las mismas condiciones de temperatura, con el fin de obtener las características de entrada tabularlas y visualizar su relación. En la figura 6 se observa la gráfica. Vn=V1 0.27V Vn=2.5V 0.27V=2.23V Para hallar el valor mínimo de la resistencia de la PT 100 se tiene: Vn=(PT)(5V)/(PT +100) PT=100Vn/(5V 2.23V) PT=80.5Ω Ahora se reemplaza Vm = 0V para encontrar el valor de la resistencia máxima de la PT 100. (v1-v2)g=0v V (v1-v2)=-3.08v/6.98=-0.44v Vn=2.5V V=2.94V PT=100Vn/(5V 2.94V) PT=142.7Ω Luego se reemplazan el valor máximo y mínimo de la PT100 en la Ec(2) y se obtiene los rangos de Figura 6. Repetitividad. La histéresis en este instrumento presentan un fenómeno de memoria, en la figura 7 se observa su comportamiento en diferentes intervalos de tiempo. La precisión define la máxima desviación entre la salida real obtenida del sensor a través del termómetro infrarrojo y el valor teórico de dicha salida proporcionado por Labview. En la tabla 2 se observan los datos. 59

6 Sistema de calibración para un instrumento de medición de temperatura PT100 Las mediciones tomadas de diferentes temperaturas se observan en la figura 8. Figura 7. Histéresis Tabla 2. Datos medidos Labview C Termómetro Infrarrojo C El valor de la precisión se generar con la relación de los datos expresado en porcentaje % % % 6.4? 46.2? 21? 95.8% 98.76% 98.9% La linealidad se determina mediante la constante de proporcionalidad única que relaciona los incrementos de la señal de salida con los correspondientes incrementos de la señal de entrada. Por lo tanto: L=KT, donde L=datos Labview, K=constante, T=Termómetro infrarrojo. 6.68/6.4=1.04, 46.78/46.2=1.01, 21.23/21=1.01, sacando el promedio se tiene que la constante K= La sensibilidad se mide por la siguiente relación: Salida Sensibilidad = Entrada S1 = = S2 = = Figura 8. Mediciones

7 Daniel Eduardo Ávila Velandia, Juan Ricardo Clavijo Mendoza, Robinson Jiménez Moreno 4. Conclusiones El rango de temperatura de la PT 100 se determina mediante la diferencia de voltajes que se genera en el puente de wheatstone y la relación del voltaje de referencia y la ganancia proporcionada en el amplificador operacional. A medida que aumenta el voltaje de referencia la temperatura y la resistencia disminuye y viceversa., por lo tanto la señal de salida del sensor es creciente y proporcional a la temperatura medida. El análisis en las gráficas de las características estáticas y dinámicas de la PT 100 presenta el óptimo funcionamiento de las lecturas de temperatura cuando hay cambios bruscos y sensibles con respuesta mínima de error. Referencias Pallas R. (2005). Sensores y Acondicionadores de Señal. Barcelona. Editorial Marcombo. Ramos R. G. (2001). Curso Práctico de Electrónica Industrial y Automatización. Santiago de Chile. Cekit Editores. Balcells J y Romeral J.L. (1997) Autómatas Programables. Serie Mundo Electrónico. Editorial Marcombo Creus Antonio. Instrumentos Industriales, Su Ajuste y Calibración. Editorial Marcombo. Coughlin Robert F. (1999) Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales. Prentice Hall Stanley Wolf (1992). Guía Para Mediciones Electrónicas. Prentice Hall. 61

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