LABORATORIO DE CONTROL

Facultad de Ingeniería División de Ingeniería Eléctrica Departamento de Ingeniería de Control LABORATORIO DE CONTROL ANALÓGICO P R A C T I C A C O N T R O L D E T E M P E R A T U R A (I n t r o d u c c i ó n) Octubre 1998

CONTROL DE TEMPERATURA (Introducción) I. Objetivos C O N T E N I D O I. Objetivos. II. Antecedentes. III. Material y equipo. IV. Descripción de los Módulos de Temperatura TY34/EV y Controlador G34. V. Desarrollo de la práctica: Transductor de semiconductor (STT). Transductor de termo -resistencia (RTD). Transductor de termopar (THC). VI. Hoja de resultados. Al concluir la práctica el alumno conocerá cada elemento de los módulos G34 y TY34/EV y será capaz de alambrarlo correctamente Se familiarizará con el uso de los transductores de temperatura y sus características. II. Antecedentes Para una comprensión satisfactoria de esta práctica es necesario que el alumno conozca lo siguiente Equipo de laboratorio: Semiconductores: Transductor: Manejo del multímetro y del osciloscopio. Deberá conocer los conceptos básicos de la función y operación de diodos, transistores, mos-fets compuertas lógicas y amplificadores operacionales. Es un dispositivo que realiza la conversión de una magnitud física en otra. Por ejemplo: Acondicionador de señal: Durante la práctica se observará que, la señal de salida de un transductor es una señal que no se puede utilizar directamente por diversas causas que se explicarán posteriormente, por esta razón a la salida de cada transductor siempre existe una etapa de acondicionamiento de la señal del transductor para su uso. 1

III. Material y equipo 1 Fuente PS1/EV. 1 Fuente PS2A/EV. 1 Módulo de Temperatura TY34/EV y Controlador G34. 1 Multímetro. 1 Juego de cables para conexión. 3 Cables de alimentación. 1 Juego de puntas para multímetro. 1 Transductor STT. 1 Transductor RTD. 1 Transductor THC. IV. Descripción de la práctica Para el desarrollo de la práctica se utilizará un sistema que consta de dos módulos, el módulo G34 y el módulo TY34/EV los cuales se describen en esta sección presentando una breve explicación de cada uno de ellos. Fig. 1 Módulo G34. 2

Como se observa en la figura 1, este módulo se compone a su vez de un conjunto de ocho bloques, que representan a otros tantos circuitos electrónicos los cuales realizan cada uno una función muy concreta. Dicha figura muestra también las conexiones que unen a los diferentes bloques, así como los puntos de medición. Set point Este bloque, denominado Set Point o módulo de entrada de referencia tiene la finalidad de proporcionar la señal de entrada al sistema. Fig. 2 Diagrama del circuito de la entrada de referencia. Como puede observarse en la figura 1 la etapa esta constituida por R 1, R 2, R 3, RV 1, C 1 y por el circuito regulador Z 1, el cual es un TL430 igual al que se usa en el acondicionar de señal del transductor de semiconductor STT (Silicon Temperature Transducer). En la salida de esta etapa compuesta por P 1 y RV 2 se obtiene la señal de referencia que puede ir de 0 a 8 V. Amplificador de error El amplificador de error cuyo diagrama se muestra en la figura 3, se encarga de realizar la comparación entre el valor de entrada, proveniente del Set Point y el valor obtenido a la salida del sistema, realimentación, con el objeto de generar la señal de error. (E). Fig. 3 Diagrama del amplificador de error. Este bloque se encuentra constituido por un amplificador operacional en configuración diferencial, cuya salida es el resultado de la diferencia de las dos entradas presentes afectada por la razón R 4 /R 1. 3

Controlador PID Este bloque proporciona un controlador versátil que puede tomar las configuraciones P, I o D por separado, o bien un control combinado de ellos mediante el puenteo de algunos bornes específicos. Este bloque se muestra en la figura 4. Fig. 4 Diagrama a bloques del controlador PID. Acondicionador del transductor de semiconductor (STT) Debido a que el transductor utilizado es de tres hilos, se ha adaptado un amplificador diferencial para minimizar el valor resistivo de los alambres del transductor. El equipo esta provisto también de un indicador de sobretemperatura, de este modo cada que se rebase la temperatura de 150 o C se encenderá un indicador y a se tendrá que apagar la fuente de calor donde se encuentra el transductor. Fig. 5 Diagrama del acondicionador del transductor de semiconductor. Este acondicionador de señal proporciona un rango de voltajes entre 0 y 8 V que corresponden a rangos de temperatura entre 0 y 150 o C respectivamente y como la salida del transductor debe ser lineal entonces la constante de proporcionalidad que se obtiene de la relación entre el voltaje y la temperatura es: 4

cte de proporcionalidad = 53. 3mV / C Acondicionador de señal del transductor de termo -resistencia (RTD Resistance Temperature Detector) Es el acondicionador de señal de transductor que se basa en una resistencia que es sensible a la temperatura (termo -resistencia). El acondicionador de señal de este transductor logra obtener una rango de tensión entre 0 y 8 V correspondiente a un rango de temperaturas entre 0 y 250 o C. La figura 6 muestra el circuito eléctrico de este acondicionador de señal Fig. 6 Acondicionador de señal del transductor de termo -resistencia. Acondicionador de señal del transductor de termopar La función de este acondicionador, es la de elevar la tensión de salida y hacer una compensación de la unión fría del termopar. A temperatura ambiente, la fem termoeléctrica que genera el transductor es del orden de milivolts, por ello es necesario tomar precauciones en el acondicionador de señal para impedir que las perturbaciones, como el ruido, puedan llegar a alterar la medición correspondiente. El esquema eléctrico del acondicionador de señal de este transductor se presenta en la figura 7. El amplificador IC1 que recibe la señal enviada por el termopar cuenta con un bajo desplazamiento térmico (drift) y una baja desviación permanente (offset), además, para su mejor funcionamiento se le agrega a este circuito una etapa de filtración realizada por el condensador C1, reduciendo de esta manera problemas de ruido. Por su parte el circuito IC2 realiza la compensación de la unión fría, para esto utiliza un diodo de silicio (D1) como elemento termosensible cuya función se amplifica apropiadamente por IC2. Se utiliza un diodo debido a que su relación voltaje-corriente depende de la temperatura, con una polarización adecuada, las variaciones de las características del diodo coincidirán con las causadas por las variaciones de la temperatura de la unión fría. Las tensiones provenientes de los dos bloques anteriores llegan a la entrada de una etapa constituida por el circuito IC3 en configuración sumador, la cual proporciona una señal de salida lista para utilizarse, esta señal se puede apreciar en el borne 33. 5

Debido a que el rango de temperaturas de 0 o a 250 o C corresponde en forma lineal con un rango de voltajes de 0 a 8 V, la constante de proporcionalidad que se obtiene de la relación entre el voltaje y la temperatura es: cte de proporcionalidad = 32mV / La figura 7 muestra el circuito eléctrico de este acondicionador de señal C Termómetro digital Fig. 7 Acondicionador de señal del transductor de termopar El módulo G34 cuenta con un termómetro digital que tiene la finalidad de poder contar con una lectura de la temperatura durante el desarrollo de las prácticas correspondientes. Amplificadores de potencia para el calefactor/enfriador Esta etapa se encarga de proporcionar una ganancia en corriente a la señal de control que alimenta el calefactor o el enfriador. Consta de dos etapas independientes una que se encarga de amplificar la corriente alterna para la resistencia calefactora y otra para el ventilador de enfriamiento. Para la resistencia calefactora se utiliza un TRIAC como elemento básico al cual se le controla su ángulo de disparo, esto se logra comparando la señal de control de entrada a esta etapa con una señal diente de sierra sincronizada con la frecuencia del sistema, de aquí se genera la señal de disparo que finalmente se envía a la compuerta del TRIAC, de esta manera el ángulo de conducción del TRIAC varía en forma proporcional a la magnitud de la señal de control de entrada. Por lo que respecta al amplificador de corriente para el enfriador se utiliza un comparador cuya función es detectar niveles negativos de la señal de control para activar el enfriador. Toda esta etapa se alimenta a través de la señal de control de entrada en el borne 11 y sus correspondientes salidas se tienen en dos pares de bornes identificados como HEATER y COOLER respectivamente según se observa en la figura 8 de esta etapa 6

Fig. 8 Diagrama del amplificador de potencia En el módulo TY34/EV se encuentran ubicados los transductores así como la resistencia calefactora y el ventilador de enfriamiento como se muestra en la siguiente figura. Fig. 9 Módulo TY34/EV Transductores de temperatura Introducción Los transductores con los que cuenta este módulo son: 7

Transductor de semiconductor (STT). Transductor de termo -resistencia (RTD). Transductor de termopar (thermocouple THC). Como se mencionó en los antecedentes, normalmente no es posible manipular la magnitud de la señal eléctrica de salida de un transductor, ya sea porque el campo de medición no sea el deseado, la potencia de la señal proporcionada es demasiado baja, o bien porque no es compatible con la etapa a la que se pretende conectar, debido a esto al transductor se le debe acoplar un etapa de acondicionador de la señal. Cabe mencionar que la presencia del transductor constituye un elemento de perturbación en el proceso que se pretende analizar. Transductor de semiconductor (STT). En este tipo de transductores de temperatura se aprovecha la gran sensibilidad que tienen los semiconductores a la temperatura. Aunque ofrecen un rango de temperatura más alto que el de otros transductores y tienen un costo inferior cuentan con una linealidad menor. Normalmente, la conexión entre el transductor y su correspondiente acondicionador de señal es de dos hilos, cuando varía la temperatura de los cables de conexión el valor de la resistencia total del transductor más los cables cambia, sin embargo en la mayoría de casos el error producido por la resistencia de los cables es despreciable. Todos los cables que salen del transductor son del mismo material y tienen la misma longitud de tal forma que su resistencia es la misma, por lo tanto, con un amplificador diferencial podrá obtenerse un voltaje que depende solamente de la resistencia. Físicamente estos transductores tienen la apariencia de una resistencia de ¼ de watt o de un diodo de señal normal. Las características de este transductor se consideran asumiendo que la potencia disipada por el dispositivo es nula, por esta razón se deberá poner especial atención en el autocalentamiento provocado por la corriente que fluye a través de el, para fines prácticos esta corriente no debe exceder los 10 ma. Este transductor es de silicio modelo Philips KTY83-110 con las siguientes características: Resistencia nominal: 1000 Ω (25 o C, 1 ma) Rango de temperaturas: -55 a 175 o C Tolerancia máxima: 1% Coeficiente de temperatura: 0.75% / o C Transductor de termo -resistencia. En la medición de temperaturas la termo -resistencia aprovecha la variación de la resistencia de un conductor en función de la temperatura. Generalmente, la relación entre la resistencia y la temperatura esta dada por la siguiente ecuación R T = R ( 1 + α T ) O en donde α es el coeficiente de temperatura del material, comúnmente se utilizan materiales como el níquel o el platino cuyas constantes son α = 6.17 10-3 para un rango de temperatura entre -60 y 150 o C y α = 3.85 10-3 para una rango de temperaturas entre -220 y 750 o C respectivamente. Transductor de termopar (thermocouple THC). El termopar consta de dos conductores metálicos de naturaleza distinta cuyo punto de conexión constituye un contacto galvánico según se muestra en la siguiente figura 8

Fig. 10. Cuando el punto T C del termopar alcanza la temperatura que se desea medir en otro extremo se induce un voltaje producido por el efecto Seebeck el cual esta dado por la diferencia T C - T F, como se muestra en la figura 11 Fig. 11. Conociendo el valor de este voltaje inducido y la temperatura T F, la cual es la temperatura ambiente, será posible calcular el valor de T C. Los temopares más utilizados son Fe-Constantán (tipo J) Ni-NiCr (tipo K) Cu-Cosntantán (tipo T) En la siguiente figura se muestran las curvas voltaje inducido-temperatura de estos termopares Fig. 12. El termopar de Fe-Constantán ofrece un voltaje inducido muy grande y una excelente linealidad a un bajo costo, sin embargo su temperatura máxima de funcionamiento resulta limitada (700-800 o C). Por su parte el termopar de Ni-NiCr tiene un voltaje inducido inferior al de Fe-Constantán pero puede usarse con temperaturas superiores a los 1500 o C, siendo bastante lineal sobre todo en altas temperaturas y su costo es ligeramente superior, su principal inconveniente es su vulnerabilidad ante los gases reductores, por lo que se debe proteger adecuadamente. 9

Finalmente el termopar de Cu-Constantán se utiliza para bajas temperaturas (hasta 600 o C) las características en cuanto a linealidad y a su costo son similares a los anteriores. Este transductor esta elaborado de Fe-Constantán (tipo J), algunas de sus características son Constante de transducción: 53 µv/ o C Error: ± 2.2 o C entre 0 y 270 o C ± 0.75 o C entre 270 y 760 o C Protección contra agentes reductores mediante un recubrimiento metálico. V. Desarrollo de la práctica Polarización Una de las partes más importantes en el desarrollo de la práctica es la polarización de la planta Controladora G34, ya que con una polarización adecuada se evitan daños posteriores en los circuitos electrónicos de la misma, para ello se realizan los siguientes pasos: - Los bornes para la polarización de voltaje del módulo G34 se encuentran localizados en su extremo superior derecho; son necesarias una tensión de +12 Vcd, una de -12 Vcd para la parte de control y una tensión 24 Vca ( ) para la etapa de potencia. La fuente fija de +12 y -12 Vcd localizada en el extremo derecho del módulo PS1/EV, suministrará este voltaje de polarización al módulo G34. La fuente PS2A/EV suministrará el voltaje de alterna, para ello conecte uno de los dos bornes que están unidos con la línea punteada al borne de tierra de la zona marcada con 24 V~ del módulo G34. Si el módulo G34 tiene dos bornes amarillos, conecte cada uno de ellos a los extremos marcados con 24 V~ /5A de PS2A/EV. Si el módulo G34 tiene sólo un borne amarillo, conecte éste a cualquiera de los bornes marcados con 24 V~ /5A de PS2A/EV. Curva característica del transductor de temperatura de semiconductor (STT) Para Obtener la gráfica de respuesta del sensor STT (Voltaje vs. Temperatura) se hace lo siguiente: - Conectar el sensor de temperatura STT en la toma de 8 polos (DIN 7 hembra) correspondiente del módulo G34, y la punta sensora en el borne correspondiente del módulo TY34/EV. - Conectar los bornes del módulo TY34/EV ( HEATER y COOLER ) con sus correspondientes en el módulo G34. - Conectar la salida del bloque SET POINT (borne 2) con el borne 3 del bloque ERROR AMPLIFIER. - Conectar la salida del bloque STT CONDITIONER (borne 22) con el borne 4 del bloque ERROR AMPLIFIER. - Conectar la salida del bloque STT CONDITIONER (borne 22) a la entrada del bloque TEMPERATURE METER (borne 10). - Conectar la salida del bloque PID CONTROLLER (borne 9) a la entrada del bloque HEATER POWER AMPLIFIER (borne 11). - Colocar las punta del multímetro entre la salida del bloque STT CONDITIONER (borne 22) y tierra. - Poner la perilla Proportional Action en su valor mínimo. - Poner el potenciómetro T SET POINT en su valor máximo. - Poner el interruptor del COOLER POWER AMPLIFIER en la posición OFF. - Poner el interruptor STT del bloque STT CONDITIONER en la posición ON. - Poner el interruptor del bloque TEMPERATURE METER en la posición STT. - De esta manera el circuito que se acaba de alambrar es el siguiente 10

Fig. 13. - Verifique todas sus conexiones. En caso de cualquier duda consultarla con su profesor de laboratorio. - Encender las fuentes PS1/EV y PS2A/EV. - Llenar la Tabla 1, tomando las lecturas de temperatura en el display del bloque TEMPERATURE METER del módulo G34 y de voltaje en el MULTÍMETRO. Voltaje (volts) Temperatura (ºC) Ta= 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Tabla 1 - Al llegar la temperatura de 150º C desconectar la entrada del bloque HEATER POWER AMPLIFIER (borne 11). Con la finalidad de efectuar un enfriamiento gradual del módulo TY34/EV efectuar lo siguiente: - En el bloque SET POINT poner al mínimo el potenciómetro T SET POINT. - En el bloque COOLER POWER AMPLIFIER colocar el interruptor en la posición MAN para activar el ventilador contenido dentro de la unidad TY35/EV. Verifique que el led indicador COOLER ON este encendido y el HEATER ON apagado. - Cuando la temperatura se aproxime a la temperatura ambiente inicial, coloque el interruptor del bloque COOLER POWER AMPLIFIER en la posición OFF para apagar el ventilador y apague las fuentes de alimentación. 11

Curva característica del transductor de temperatura de termo -resistencia Para Obtener la gráfica de respuesta del sensor RTD (Voltaje vs. Temperatura) se hace lo siguiente: - Conectar el sensor de temperatura RTD en la toma de 8 polos (DIN 7 hembra) correspondiente del módulo G34, y la punta sensora en el borne correspondiente del módulo TY34/EV. - Conectar los bornes del módulo TY34/EV ( HEATER y COOLER ) con sus correspondientes en el módulo G 34. - Conectar la salida del bloque SET POINT (borne 2) con el borne 3 del bloque ERROR AMPLIFIER. - Conectar la salida del bloque RTD CONDITIONER (borne 28) con el borne 4 del bloque ERROR AMPLIFIER. - Conectar la salida del bloque RTD CONDITIONER (borne 28) a la entrada del bloque TEMPERATURE METER (borne 10). - Conectar la salida del bloque PID CONTROLLER (borne 9) a la entrada del bloque HEATER POWER AMPLIFIER (borne 11). - Colocar las punta del multímetro entre la salida del bloque RTD CONDITIONER (borne 28) y tierra. - Poner la perilla Proportional Action en su valor mínimo. - Poner el potenciómetro T SET POINT en su valor máximo. - Poner el interruptor del COOLER POWER AMPLIFIER en la posición OFF. - Poner el interruptor RTD del bloque RTD CONDITIONER en la posición ON. - Poner el interruptor del bloque TEMPERATURE METER en la posición RTD-TH. - Poner el interruptor del COOLER POWER AMPLIFIER en la posición OFF. De esta manera el circuito que se acaba de alambrar es el siguiente Fig. 14. Verifique todas sus conexiones. En caso de cualquier duda consultarla con su profesor de laboratorio. - Encender las fuentes PS1/EV y PS2A/EV. - Llenar la Tabla 2, tomando las lecturas de temperatura en el display del bloque TEMPERATURE METER del módulo G34 y de voltaje en el MULTÍMETRO. 12

Temperatura (ºC) Ta= 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Tabla 2 Voltaje (volts) Con la finalidad de efectuar un enfriamiento gradual del módulo TY34/EV efectuar lo siguiente: - En el bloque SET POINT poner al mínimo el potenciómetro T SET POINT. - En el bloque COOLER POWER AMPLIFIER colocar el interruptor en la posición MAN para activar el ventilador contenido dentro de la unidad TY35/EV. Verifique que el led indicador COOLER ON este encendido y el HEATER ON apagado. - Cuando la temperatura se aproxime a la temperatura ambiente inicial, coloque el interruptor del bloque COOLER POWER AMPLIFIER en la posición OFF para apagar el ventilador y apague las fuentes de alimentación. Curva característica del transductor de temperatura de Termopar (Thermocouple). Para Obtener la gráfica de respuesta del sensor THC (Voltaje vs. Temperatura) se hace lo siguiente: - Conectar el sensor de temperatura THC en la toma de 8 polos (DIN 7 hembra) correspondiente del módulo G34, y la punta sensora en el borne correspondiente del módulo TY34/EV. - Conectar los bornes del módulo TY34/EV ( HEATER y COOLER ) con sus correspondientes en el módulo G 34. - Conectar la salida del bloque SET POINT (borne 2) con el borne 3 del bloque ERROR AMPLIFIER. - Conectar la salida del bloque THERMOCOUPLE CONDITIONER (borne 33) con el borne 4 del bloque ERROR AMPLIFIER. - Conectar la salida del bloque THERMOCOUPLE CONDITIONER (borne 33) a la entrada del bloque TEMPERATURE METER (borne 10). - Conectar la salida del bloque PID CONTROLLER (borne 9) a la entrada del bloque HEATER POWER AMPLIFIER (borne 11). - Colocar las punta del multímetro entre la salida del bloque THERMOCOUPLE CONDITIONER (borne 33) y tierra. - Poner la perilla Proportional Action en su valor mínimo. 13

- Poner el potenciómetro T SET POINT en su valor máximo. - Poner el interruptor del COOLER POWER AMPLIFIER en la posición OFF. - Poner el interruptor del bloque TEMPERATURE METER en la posición RTD-TH. De esta manera el circuito que se acaba de alambrar es el siguiente Fig. 15. Verifique todas sus conexiones. En caso de cualquier duda consultarla con su profesor de laboratorio. - Encender las fuentes PS1/EV y PS2A/EV. - Llenar la Tabla 3, tomando las lecturas de temperatura en el display del bloque TEMPERATURE METER del módulo G34 y de voltaje en el MULTÍMETRO. Temperatura (ºC) Ta= 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Tabla 3 Voltaje (volts) Con la finalidad de efectuar un enfriamiento gradual del módulo TY34/EV efectuar lo siguiente: - En el bloque SET POINT poner al mínimo el potenciómetro T SET POINT. 14

VI. Hoja de resultados - En el bloque COOLER POWER AMPLIFIER colocar el interruptor en la posición MAN para activar el ventilador contenido dentro de la unidad TY35/EV. Verifique que el led indicador COOLER ON este encendido y el HEATER ON apagado. - Cuando la temperatura se aproxime a la temperatura ambiente inicial, coloque el interruptor del bloque COOLER POWER AMPLIFIER en la posición OFF para apagar el ventilador y apague las fuentes de alimentación. 15

CONTROL DE TEMPERATURA (Hoja de resultados) (Introducción) Alumnos: 1. Grupo: 2. 3. Equipo: 4. 1. Cuál es el objetivo de la práctica? 2. Para que sirve la etapa de acondicionamiento de un transductor? 3. Elabore una gráfica con los datos obtenidos en la tabla 1 (temperatura vs tensión) V temperatura 4. Trazar una curva que se aproxima a todos los puntos de la gráfica de la pregunta 3 (curva característica del transductor). 5. Elabore una gráfica con los datos obtenidos en la tabla 2 (temperatura vs tensión) V temperatura 6. Trazar una curva que se aproxima a todos los puntos de la gráfica de la pregunta 5 (curva característica del transductor de temperatura RTD). 16

7. Elabore una gráfica con los datos obtenidos en la tabla 3 (temperatura vs tensión) V temperatura 8. Trazar una curva que se aproxima a todos los puntos de la gráfica de la pregunta 7 (curva característica del transductor de temp eratura de termopar). 9.- Conclusiones. 17