UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS ELECTRÓNICA

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1 UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS ELECTRÓNICA CICLO: 0/202 Nombre de la Practica: Lugar de Ejecución: Tiempo Estimado: MATERIA: DOCENTES: GUIA DE LABORATORIO #2 Medición de temperatura Edificio 3 laboratorio de Instrumentación y Control hora 50 min Instrumentación y Control Analógico Samuel Murcia I. OBJETIVOS Objetivo General Observar el comportamiento de dos tipos de sensores de temperatura que varían su resistencia. Objetivos Específicos Medir la temperatura de una plancha metálica por medio de una sonda con termistor (resistencia NTC). Armar el circuito de medición de temperatura con la técnica de dos cables y una fuente de corriente constante. Calibrar el termistor con la ayuda de un termómetro de vidrio de precisión. Registrar las curvas de calentamiento y enfriamiento con el termistor manteniendo constante la corriente (I =const.). II. INTRODUCCION TEORICA La temperatura es uno de los valores más importantes para medir. En la industria química p. e. hay muchos procesos que son altamente influenciados por la temperatura. Para la medición de temperatura se aprovecha el comportamiento térmico de los materiales sólidos, líquidos, y gases. P. e.: la dilatación de los sólidos, el cambio de volumen de líquidos y gases, el cambio de resistencia eléctrica y el termovoltaje entre dos cables de diferentes metales. Las dos últimas cualidades son empleadas particularmente en termómetros de resistencia eléctrica (empleando metales y semiconductores) y en elementos termoeléctricos. Son especialmente adecuados para sistemas de control, vigilancia de sistemas, y transmisión a distancia de valores de medición de temperatura. Medir temperaturas con cualquier termómetro de contacto significa que la introducción de una sonda es un cuerpo ajeno en el campo de la temperatura. Los prerrequisitos para una medida exacta de temperatura son en general los siguientes puntos: Transferencia mínima de temperatura entre la sonda y la zona que la rodea. Esto se consigue p. e. empleando materiales de muy baja conductividad térmica para el tubo cobertor o el material mismo de la sonda. Impedimento de interferencias en el campo de temperatura por pérdidas vía la sonda. Para realizar esto cuando se mida temperaturas en superficies o cuerpos se debe recostar la sonda en una isoterma por aprox. 00 a 200 mm y recién después se puede salir del objeto de medición con las conexiones. Estas demandas no pueden ser cumplidas siempre en la práctica. / 0

2 Guía # : Amplificador de Instrumentación Fig. : Método falso y debido uso de la sonda. El comportamiento temporal de la sonda determina el uso particular de una sonda en la medición de temperaturas. Para derivar el comportamiento temporal es necesario aplicar la ecuación de Fourier para la conductividad del calor sin condiciones simplificadas e incluyendo la construcción del termómetro, todas las resistencias de contacto, y las perdidas de calor. Esta ecuación describe el cambio de temperatura temporal de un cuerpo con la densidad y la capacidad calorífica especifica c debido al suministro de calor (determinado por la conductividad calorífica) de un campo de calor: υ c ρ = λ. υ t Para resolver esta ecuación diferencial son necesarias condiciones marginales y datos sobre el tipo y la repartición de las fuentes caloríficas. La solución resulta complicada debido al alto número de condiciones posibles. La dependencia del comportamiento temporal de las sondas de muchas valores influyentes complica el calculo exacto de una constante de tiempo p.e. el periodo de vida media t 0.5 o el periodo de vida de 9 décimas t 09. El comportamiento temporal se determina por eso en dos experimentos con dos condiciones de transferencia térmicas definidas exactamente (en el aire con una velocidad de m/s y en agua con 0.2 m/s). En general se puede decir que una constante de tiempo corta es dada si la sonda de medición tiene una capacidad calorífica pequeña (masa pequeña) combinado con una gran área de transferencia y es realizado con un coeficiente alto de transmisión calorífica. 3. Sonda (resistencia) NTC. Para convertir temperaturas en valores eléctricos proporcionales se aprovecha la sensibilidad térmica de conductores metálicos (p.e. termómetro de resistencia eléctrica de platino). Además de estos existen los termistores que son conocidos comúnmente por sondas (resistencia) NTC (negative temperature coefficient) por tener un coeficiente de temperatura negativo. Estas sondas (resistencias) son semiconductores de óxidos sintetizados. Son muchos mas sensibles que termómetros de resistencias de metal. Las líneas características de una sonda (resistencia) NTC no son lineales. La dependencia de la temperatura de la sonda (resistencia) de termistores esta dada por la siguiente ecuación: B( /T /To) Rυ = Rυ o. e B es una constante que depende de la forma y el material del tesmistor. Su valor se encuentra entre 500 y 7000 K. Rυ o es la resistencia (de la sonda) característica. Es el valor de resistencia (de la sonda) en una temperatura característica, usualmente 20 ( 293 K) T es la temperatura absoluta de la resistencia (de la sonda) To es el valor absoluto del valor de referencia. La ecuación muestra que con el crecimiento de la temperatura disminuye la resistencia ( de la sonda ) velozmente. Las desventajas son las altas tolerancias de producción y la falta de linealidad de las líneas características de la resistencia (de la sonda). Instrumentación y Control Analógico 2

3 Guía # : Amplificador de Instrumentación Se puede contrarrestar este efecto además de linealizar la línea característica empleando ejemplares seleccionados y redes de resistencias (de sondas). La sonda se incluye en una red de resistencias con dependencia calórica. Los valores para la red se determinan empíricamente en un circuito de calibración o pueden ser calculados por una computadora respectivamente comprobada. Actualmente ya es posible producir sondas intercambiables pero con una gama de medición limitada hasta 50 C. Termistores se usan comúnmente para mediciones de temperatura hasta aproximadamente 300. Campos importantes de aplicación son la medicina y la biología. Pero también existen modelos para mediciones de altas temperaturas que llegan hasta los 600 C aproximadamente. Tienen una dimensión muy pequeña por lo cual son adecuados para mediciones de punto. Sus valores de resistencia son muchos mas altos que los conductores metálicos por lo cual se pueden descuidar bajo aspectos de medición la resistencia de unión y la calibración de la línea no es necesario. Además de su tamaño traen la ventaja de su veloz reacción y la resolución muy que pueden alcanzar hasta los 0.0 K. Su pequeña masa demostró que son veloces especialmente en la medición de superficies. Termistores se usan con frecuencia en circuitos de detección ya que el acabado de los conmutadores mecánicos reversibles resulta muy simple. Las sondas empleadas en estos ejercicios tienen los siguientes valores básicos (datos del fabricante): Temperatura de medición Valor Básico en Ohmios Tabla : Valores básicos de una sonda NTC 3.2 La plancha metálica de medición de temperatura. Fig.2: Dimensiones de la plancha metálica de mediciones de temperatura. El material de la plancha metálica es aluminio y tiene las dimensiones indicadas en la figura 3.3. El calentamiento se realiza con un elemento calentador con máx. 5 W. El elemento esta centrado debajo de la plancha. Además se perforaron 2 hoyos equidistantes del elemento calentador para introducir el termómetro de vidrio y la sonda NTC. Durante la medición hay que poner atención que los dos termómetros estén introducidos igualmente. Deben estar perpendiculares con la superficie inferior de la plancha. Además recordamos que no es igual la transferencia calórica por los termómetros. Este hecho se tomó en cuenta usando un termómetro de vidrio relativamente grande en relación a la sonda NTC que tiene la conductividad calórica mejor. Como fue descrito en la introducción teórica no es siempre posible cumplir con una medición de temperatura óptima, la conexión de los dos termómetros es directa ya que el termómetro de vidrio no ofrece otra solución. Instrumentación y Control Analógico 3

4 Guía # : Amplificador de Instrumentación Para una medición exacta es necesario realizar una corrección de columna debido a la circunstancia que el líquido del termómetro sobresale al punto de medición con la consecuencia que la temperatura del líquido afuera difiere con la del punto de medición en la pancha. La ecuación correctiva correspondiente es: υ M = υ A +n a (υ a - υ f ) υ M = Temperatura en la plancha metálica de medición. υ A = Temperatura leída. υ f = Temperatura media de la columna sobresaliente. n = Parte sobresaliente de la columna en K. a = Coeficiente que considera los diferentes coeficientes de dilatación del vidrio y del liquido del termómetro en K -. Fig. 3: Para la corrección de columna 3.3 Acondicionador de señales para termorresistencias. Figura 4. Acondicionador para Pt 00 Instrumentación y Control Analógico 4

5 Guía # : Amplificador de Instrumentación Figura 5. Horno didáctico Los dos generadores de corriente se utilizan para producir una caída de tensión sobre la termorresistencia y hacer que el sistema de medición no presente errores debidos a las caídas de tensión en el trayecto de la señal de corriente entre los generadores y el sensor, que puede estar muy lejos del condicionador de señales. Los amplificadores operacionales desempeñan la función de amplificar la tensión de los extremos de la termorresistencia, haciendo que a un campo de temperaturas de la termorresistencia de 0 hasta 250 corresponda un margen de tensión de salida de 0 a 8V. A la señal de entrada del segundo amplificador operacional se le añade otra señal continua cuya amplitud permite a la misma igualar la tensión de salida de IC cuando la temperatura de la termorresistecia es de 0. En efecto, a dicha temperatura la resistencia de los extremos del sensor no es nula, sino que vale 00 ; razón por la cual habrá que tener para 0 una caída de tensión diferente de cero. Ya que se ha decidido que un campo de temperaturas de 0 hasta 250 corresponde a un márgen de tensiones de 0 hasta 8V, la constante de proporcionalidad que se obtiene de la relación entre la tensión y la temperatura vale 32mV/. El dispositivo a utilizar en el laboratorio para la medición de la temperatura de electrónica Veneta se muestra en la figura 5. La ecuación para encontrar la temperatura de una PT00 es: R = R 0 ( +α T + α 2 T α n T n ). Hasta 650 ºC el término lineal es más de 0 veces mayor que el α 2 T 3. En su margen lineal se puede escribir: R = R 0 ( +α T). Las PT00 son fiables y exactas. Los coeficientes α y α 2 valen aproximadamente 3.90x0-3 /K y 5.83x0-7 /K 2 Instrumentación y Control Analógico 5

6 Guía # : Amplificador de Instrumentación III. MATERIALES Y EQUIPO Para la realización de la guía de práctica se requerirá lo siguiente: No Cantidad Descripción Sonda térmica-termistor Amplificador de instrumentación c.c. Termómetro de precisión Fuente de alimentación c.c., ± 5 V/2 A Enchufes de conexión Indicador de temperatura o multímetro digital Graficador Y/t Marco de experimentación Entrenador de Medición de Temperatura con su respectiva tarjeta G-34. IV. PROCEDIMIENTO PARTE I: ARMADO DEL SISTEMA DE MEDICIÓN.. Monte los equipos según el orden mostrado a continuación en el marco de experimentación: Fuente de alimentación Sonda de temperatura Amplificador de instrumentación cc Multímetro Arme el circuito con I = constante según el plano de la siguiente figura: Fig. 6 Plano del circuito. Instrumentación y Control Analógico 6

7 Guía # : Amplificador de Instrumentación 2. Ponga en el amplificador de instrumentación el interruptor MODE en la posición I = konst. y el interruptor para la tensión de referencia Vref en la posición INT. Conecte la fuente de alimentación de 5 voltios y en la salida del amplificador al multímetro. Limite con el potenciómetro (Stromsteller (regulador de corriente) I) la corriente de alimentación a ma midiendo este valor con el multímetro en los bornes y 3. Para esto es necesario girar el potenciómetro de la tensión U casi hasta el tope a la derecha (circuito de fuente de corriente constante). I = ma Limitando la corriente a un valor pequeño se reduce el efecto térmico del flujo de la corriente a un mínimo. A consecuencia de la limitación del valor de la corriente a ma equivale en los bornes de salida un valor de tensión de mv a ohmio. PARTE II: CALIBRACIÓN DEL AMPLIFICADOR DE MEDIDA CC. 3. Realice la calibración del amplificador de instrumentación CC para la medición de temperatura. Para eso conecte las dos entradas del amplificador, marcadas DIF.IN, a tierra (0 V). Elija primero el factor de amplificación (interruptor GAIN) y regule con el potenciómetro OFFS.ADJ. la tensión de salida U A a 0 V. La tensión de salida se mide con el multímetro. A continuación cambia el factor de amplificación a 000 y regule igualmente con el potenciómetro INPUT.OFFS.ADJ. la tensión de salida a 0 V. Finalmente repita este procedimiento para la amplificación como control y corrija si es necesario a 0. El ejercicio se realiza con el factor de amplificación. UA = V PARTE III: CALIBRACIÓN DE LA SONDA TERMISTOR. 4. Calibre la sonda termistor con el termómetro de vidrio de precisión. Los dos termómetros deben estar montados perpendicularmente con el borde inferior de la plancha. El regulador del calentamiento permanece al comienzo en posición 0 y se regula después a las posiciones indicadas en las tablas a continuación (calentamiento). Para el enfriamiento se repite la operación en orden contrario. 5. Antes de regular el control de calentamiento en el siguiente punto de la escala tiene que leer los valores de la temperatura en el termómetro y la tensión respectiva en el multímetro. Recién lea los resultados cuando los valores estén estables. La temperatura leída en el termómetro de vidrio υ M tiene que ser corregida según la ecuación de corrección de columna. Para el caso que no tengamos un termómetro auxiliar podemos usar la temperatura ambiental υ f que resulta en la medición inicial teniendo el regulador en 0. El coeficiente tiene acá el valor de /800 K - aprox. Para n tiene que poner el valor (υ M + 35) ya que la parte inferior a los 0 C de la espiga tiene aprox. 35 además que sobresale de la plancha. Anote los valores medidos y calculados en las tablas 2 y 3. Dibuje a continuación los valores en el diagrama U A = f(υ M ) (fig. 7). Instrumentación y Control Analógico 7

8 Guía # : Amplificador de Instrumentación Posición del control de calentamien to División de escala Posición del control de calentamien to División de escala Temperatura leída en el termómetro de vidrio υ a υ M Tensión de salida Tabla 2: Calentamiento Temperatura leída en el termómetro de vidrio Tensión de salida υ a υ M Tabla 3: Enfriamiento U A V U A V 6. Compare finalmente los valores medidos con los del productor y calcule la desviación. Emplee los valores de la tabla como valores básicos (datos del productor) para la tabla 4. Los valores de medición los toma del diagrama U A = f (υ M ), figura 7. Use regresión exponencial natural Como la corriente de suministro de puente comprende ma, equivale a mv a ohmio (o V 000 ohmios). Evalúe los resultados Temperatura Valores básicos de resistencia Ohmios Valores medidos V Ohmios Desviación % Tabla 4: Comparación de los valores medidos con los valores básicos Instrumentación y Control Analógico 8

9 Guía # : Amplificador de Instrumentación Fig.7: Tensión de salida U A en dependencia de la temperatura de medición M. (o = calentamiento; x = enfriamiento) Instrumentación y Control Analógico 9

10 Guía # : Amplificador de Instrumentación PARTE IV: MEDICIÓN DE TEMPERATURA CON EL MÓDULO DE ELECTRÓNICA VENETA. 7. Arme un Sistema de control de lazo cerrado con controlador P del módulo G Tome la medición de voltaje para los puntos 25-GND, 26-GND, 25-26, 27-GND, 28-GND para los siguientes valores de temperatura (Puede verificar la temperatura con el termómetro de mercurio que se introduce en la planta, o bien con el medidor digital que se encuentra en la tableta): Temperatura 25-GND 26-GND GND 28-GND Encuentre la regresión lineal para los datos entre el punto 28 y tierra. Compare con la ecuación dada en la introducción teórica. Calcule los porcentajes de desviación y concluya sobre la linealidad del transductor. 0. Explique el funcionamiento del circuito:. Cuál es la función de los condensadores C y C2? 2. Qué dispositivos permiten implementar la fuente de corriente constante? V. DISCUSION DE RESULTADOS. Presente la respuesta a las preguntas formuladas en el procedimiento. 2. Presente los cálculos para cada parte del procedimiento que lo amerite. 3. Presente las gráficas de las curvas de temperatura. 4. Evalúe si los modelos matemáticos del comportamiento de la temperatura son adecuados para los dos transductores. VI. INVESTIGACION COMPLEMENTARIA Investigue acerca de los sensores de temperatura a semiconductor. Investigue acerca de otros métodos para medición de temperatura. Investigue acerca de criterios de colocación de dispositivos para medición de temperatura. VII. BIBLIOGRAFIA Medición de temperatura. IMT. SO 567-2M Biblioteca de Bodega de Electrónica Manuales de los equipos de medición de temperatura de Elettronica Veneta. Biblioteca de Bodega de Electrónica Instrumentación y Control Analógico 0