Medida de Temperaturas

Transcripción

1 INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Medida de Temperaturas Equipo OHM Con una Pt-100

2 INTRODUCCIÓN Nuestro trabajo se centra en el desarrollo de un sistema para acondicionar la medida de un PT-100, utilizado para medir variaciones de temperatura. Para ello utilizaremos un diseño de cuatro hilos, para compensar las resistencias de la conexión entre el circuito de medida y el sensor. PROCEDIMIENTO Como sabemos, la ecuación que caracteriza una Pt-100 es R = Ro (1+ αt). Esto nos indica que esta resistencia es lineal en función de la temperatura, por lo tanto, haciendo pasar una corriente constante a través de ella conseguiremos una tensión que también será una función lineal. Sabiendo eso, y que la resistencia de la Pt-100 a 0 ºC es de 100 Ω, podremos realizar diferentes medidas y, viendo la variación de R, podremos calcular la temperatura. Figura 1. Circuito básico a 4 hilos, con corriente constante. Como sabemos, los hilos pueden afectar a las medidas que obtengamos, debido a la propia resistencia de ellos. Además su resistencia se ve afectada por otros parámetros, como la temperatura (en forma distinta a como lo hace en la Pt-100), pudiendo producir errores en la medida. Para compensar dicho error realizamos el montaje con cuatro hilos. Utilizamos este montaje porque con él se consigue eliminar por completo el error producido por la resistencia de los hilos que conectan el transductor al equipo de medida, no así con el de tres hilos que, aunque lo minimiza, no lo elimina. Por último, usamos un amplificador de instrumentación para que la magnitud de la medida obtenida sea legible con instrumentos normales. 1

3 ANÁLISIS La intensidad que usaremos será de aproximadamente 1 ma (los componentes tienen una tolerancia 10%, lo que no garantiza su exactitud), para sobrepasar la corriente de excitación de una Pt-100 que es de 0,26 ma, y para minimizar los errores por autocalentamiento. Nuestro error por autocalentamiento máximo, sabiendo que δ 0,5 ºC/mW y que la temperatura mínima que medirá nuestro sensor es de 0 ºC será de: Tal y como hemos comentado anteriormente, la corriente que utilizaremos será constante. Para conseguir dicha corriente utilizaremos el siguiente generador de intensidad: Figura 2. Generador de corriente constante. 2

4 El principio de funcionamiento de este circuito es que la realimentación negativa fuerza a que la tensión en el emisor sea constante e igual a la del diodo zener, polarizado inversamente, por tanto, la intensidad que circula por el colector será: Figura 3. Conexión a cuatro hilos de la RTD. Como la corriente por la resistencia siempre va a ser la misma y la caída de tensión en la resistencia de los hilos utilizados para medir será 0, ya que por ellos no circula corriente (suponemos impedancia de entrada del amplificador que usemos será infinita), por tanto no habrá error alguno. Por esta razón se usan amplificadores operacionales con amplificadores diferenciales en la entrada del tipo J-FET, pues este tipo de transistor tiene una impedancia de puerta mayor que la que puedan presentar los dispositivos bipolares. Para disponer de las variaciones de tensión y no amplificar la tensión en la resistencia, calibramos el cero del circuito igualando la referencia de medida a la lectura de la RTD a 0 grados ayudándonos de un potenciómetro de ajuste. El resultado de este procedimiento es similar al llevado a cabo con el equilibrado de un puente de Wheatstone. A continuación añadiremos un INA, para poder obtener una señal precisa fácilmente medible a la salida. Este INA se encargara de amplificar las variaciones de tensión en la RTD. 3

5 Figura 4. Circuito de calibración del 0. Para conectar un amplificador de instrumentación al montaje, optamos por configurarlo, a partir de amplificadores operacionales, del mismo tipo que los utilizados en la fuente de corriente constante y el el circuito de calibración de 0. No es necesario contar con la misma impedancia de entrada (puertas de J-FET), pero después se añadirá otro, conectado al circuito de corriente constante, de modo que usaremos los mismos. Figura 5. Circuito medidor con el INA incluido. 4

6 Por último añadimos un amplificador en configuración buffer, que se encargará de modificar la referencia de la salida del INA, para evitar que la salida se presente en el margen de tensiones entre 0 y 1 voltios, ya que las salidas de estos valores no son fiables, por no disponer de amplificadores rail to rail. Las medidas entre 1 y 8 voltios, correspondientes a temperaturas entre 0 y 70 ºC, están dentro de márgenes de tensión fiables para los amplificadores de que disponemos. Figura 6. Diseño completo del acondicionador. CALIBRACIÓN Usaremos el método de calibración de 0 y pendiente. Para el ajuste del cero se usa una resistencia equivalente a la de la Pt-100 a 0ºC (100 Ω), que no varía con la temperatura. Ayudándonos de un potenciómetro de ajuste y de unos operacionales, igualamos el potencial del primer punto de medida al del extremo variable de la Pt-100 a 0 ºC. Para ajustar la pendiente se toman varias medidas a distinta temperatura y se obtiene la recta de calibración del circuito sin ajustar, después se calibra la ganancia del amplificador de instrumentación, hasta obtener la medida que corresponde a la temperatura actual, calculada por interpolación. 5

7 OBSERVACIONES En nuestro circuito utilizamos la misma alimentación para el circuito que genera la corriente y para la alimentación de los operacionales, pudiendo alimentar todo el circuito con una pila de petaca. Esta alimentación, que no se detalla en el esquema, incluye un condensador de desacoplo por cada integrado. Con este diseño, mostrado a continuación, podemos observar cómo un circuito integrado soluciona el mismo problema por métodos similares: Figura 7. Solución del fabricante Microchip. Tal y como se puede comprobar, el diseño está compuesto por cuatro bloques claramente diferenciados: En primer lugar un generador de corriente constante, utilizando dos amplificadores operacionales (A1 y A2) que suministra 1 ma al sensor (al igual que nuestro diseño que utiliza un operacional y un transistor para este mismo fin) El sensor que utiliza este diseño está conectado a tres hilos que, aunque es una buena solución, necesita corregir el error introducido por la resistencia de la conexión, necesitando de posteriores bloques para su tratamiento. El corrector de la resistencia de los hilos es necesario en este montaje y su éxito se basa en que la resistencia de todos los hilos sea igual (supuesto un tanto optimista, pero de contrastada eficacia). Con la calibración de 0 que nosotros hemos realizado podríamos haber corregido este error, de haberlo necesitado; de todos modos no ha sido así, porque nuestro montaje es a cuatro hilos, y la medida se realiza a través de un par de hilos que no lleva corriente (ciertamente, la intensidad de puerta de los J-FET de entrada se puede considerar nula). 6

8 Por último el circuito incluye un filtro Sallen-Key, que es un filtro activo, funcionando como pasa-bajos. Nosotros obtenemos la ganancia del dispositivo utilizando un amplificador de instrumentación. No usamos el filtro necesario para la conversión analógica digital, porque no utilizamos ningún tipo de microcontrolador con el que tratar la señal. Como se ha expuesto anteriormente, los amplificadores operacionales utilizados para completar el diseño son del tipo LF347, encapsulados en chips de 14 pines, conteniendo 4 A.O. cada uno de ellos; los amplificadores diferenciales que constituyen la etapa de entrada de estos dispositivos están construidos con dispositivos J-FET, con el fin de obtener un producto con una altísima impedancia de entrada. Esta característica es imprescindible cuando realizamos medidas a 4 hilos, para garantizar que la corriente a través de los cables usados para la medida es imperceptible. También es necesario que cada circuito que se conecta a la línea de corriente constante presente esta misma característica, pues esta intensidad es baja y cada influencia sobre ella puede resultar en una falsa lectura. Por otra parte, este tipo de dispositivos (FET), caracterizado por una bajísima corriente de polarización, presenta mayores tensiones de offset, que deberemos afrontar. En nuestro montaje esto no representa ningún problema, ya que la calibración sirve para eliminar estas tensiones indeseables en la misma maniobra que usamos para corregir las tensiones que no deseamos medir (calibración del cero) y al trasladar la escala de medida (corrección de la referencia del INA). SIMULACIONES Montamos el circuito completo en Simulink y procedemos a su calibración. El primer paso es calibrar el offset de la salida a 1 V, lo que fuerza la salida, para las medidas entre 0 y 70 ºC, en las tensiones comprendidas entre 1 y 8 V. Esto es necesario para evitar que el amplificador operacional intente poner su salida por debajo de 1 V o por encima de 8 V, ya que su alimentación es la misma que el resto del circuito, con una sola pila de petaca. Este ajuste se realiza retocando el potenciómetro R4, en la fuente de corriente constante; usamos la tecla O. Este ajuste es permanente, pues las variaciones de resistencia de los hilos (cambios de longitud) no le afectarán. A continuación calibramos el cero, igualando las dos entradas al amplificador de Instrumentación, cuando la temperatura del sensor es de 0 ºC, por medio de R22, usando la tecla Z ; la medida entre la salida y el offset será cero Este paso se debe repetir cada vez que modificamos el valor de la resistencia de los hilos, como si variara su longitud. El último ajuste afecta a la ganancia del circuito, que en un amplificador de instrumentación se hace con la resistencia entre las entradas inversoras de los dos operacionales de entrada, en nuestro caso con R11. Para que la sensibilidad del circuito sea de 100 mv/ºc elevamos la temperatura hasta el fondo de escala (70 ºC en nuestro caso) y retocamos R11 con la tecla G hasta que la salida muestre 7 V. 7

9 Figura 8. Circuito calibrado para hilos de 1Ω. Para simular la resistencia de la Pt-100 nos valemos del tándem R16 R5, R16 es la resistencia del sensor a 0 ºC, mientras que R5 es el incremento de resistencia que tiene lugar a 100 ºC, de modo de un 1% de esta resistencia equivale a la respuesta de la Pt-100 a 1 ºC. Así pues, podemos simular la temperatura que deseemos, entre 0 y 100 ºC (aunque sólo deseamos medir temperaturas entre 0 y 70 ºC) con la tecla T. Cuando tenemos calibrado el circuito se puede ver cómo los cambios de tempetatura (variaciones de la resistencia del sensor R16 + R5) se presentan en la salida; como la sensibilidad es de 100 mv/ºc, la temperatura en grados Celsius se multiplica por 0,1 antes de convertirse en voltios en la pantalla del voltímetro. Cuando varía la resistencia de los hilos (2Ω) es preciso calibrar de nuevo el cero, pero no es necesario tocar el resto, salvo si observamos una desviación de algún mv a fondo de escala, que se deberá a que el ajuste del cero no es exacto. Si ajustamos otra vez la resistencia de los hilos, esta vez a 3Ω, de nuevo deberemos calibrar el cero, y el resto de la calibración es válida (como siempre, puede aparecer algún mv de error en el cero, que se reflejará también en la medida a fondo de escala). En la figura siguiente podemos observar cómo se mantiene el ajuste del offset y varía la calibración del cero. El ajuste de ganancia presenta variaciones mínimas, que sólo se notan en el tercer decimal de la medida a fondo de escala. Para poder ver cómo responde el circuito a las variaciones de temperatura, adjuntamos los montajes de la simulación (calibrados para distintos valores de resistencia de los hilos, equivalentes a distintas longitudes), en los que se puede seguir el funcionamiento del circuito. 8

10 Figura 9. Calibración con hilos de 2Ω (Tª 70 ºC). Figura 10. Calibración con hilos de 3Ω (Tª 35 ºC). 9