La medición de temperatura es fundamental en muchos procesos industriales, en los cuales de necesita conocer la temperatura del proceso y tener el control de ella para que la planta trabaje de manera adecuada. Para esto se pueden realizar medidores de temperaturas basados en diferentes sensores, como lo son los termopares, las termoresistencias, los termistores, entre otros.
En toda medición, es necesario calibrar el instrumento de medida usando una variable patrón, y con la calibración se garantiza que el instrumento es confiable. Sabiendo que un instrumento puede descalibrarse, se realizan en estos ajustes de error ganancia y del error de cero en los instrumentos de medición.
En esta practica, se propusieron dos circuitos para la medición del temperatura en un rango de 0 a 100 ºC, en uno de ellos se utilizo una termoresistencia y en otro un termopar. Como variable patrón se utiliza un termopar y para la calibración se utilizan dos potenciómetros que son los que se ajustan para obtener los valores deseados de temperatura, antes de empezar con la calibración. Se hizo uso de un microprocesador y una LCD con los cuales se obtiene la visualización de las temperaturas
Objetivos
·Lograr el ajuste del error de cero.
·Lograr el ajuste del error de ganancia.
·Visualizar los resultados en display.
·Elaborar un Datasheet de un equipo de medida.
Fundamento teórico
Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia.
Una termorresistencia es un dispositivo que varía su resistencia con la temperatura. Suele denominarse RTD. Tiene un comportamiento lineal intrínseco. Las RTD se basan en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia y T es el incremento de temperatura con respecto a ella. Para determinados conductores se puede expresar como:
R=Ro(1+αT)
Los termistores (thermally sensitive resistor) son resistores variables con la temperatura basados en semiconductores. En función de que su coeficiente de temperatura sea positivo o negativo, se distingue entre PTC (Positive Temperature Coefficient) y NTC (Negative Temperature Coefficient). Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Se basan en el aumento de portadores en los semiconductores con el aumento de la temperatura, lo que da lugar a una disminución de su resistencia. Las características resistencia-temperatura son de forma exponencial.
Rt=Ro*exp(B(1/T-1/To))
donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia T0 y T es la temperatura durante la medida, ambas expresadas en kelvins. El parámetro B es conocido como temperatura característica del material y depende de la temperatura
Un puente de Wheatstone es un instrumento eléctrico de medida inventado por. Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en 1843. Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.
Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común. Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado. La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.
la ganacia se pude conocer si R1=R2=R3
Ganancia= (v1-v2)*(1+2*(R1/Rgain))
Inversor: Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) pero con la fase invertida 180 grados.
la ganancia es igual a Ganancia=(Rf/Rin)
Linealizacion de termistor existen varias formas de linealizar un transistor pero la usada en este laboratorio fue la de la resistencia en paralelo, que linealiza al termistor cerca del valor de la resistencia en paralelo.
CIRCUITO PROPUESTO
El circuito de acondicionamiento para la termoresistencia se realiza basándose en un puente de Wheatstone, del cual se tiene una salida que es una diferencia entre dos voltajes de los cuales ninguno de ellos es tierra, por ello es necesario utilizar un amplificador diferencial o un amplificador de instrumentación los cuales tienen 2 entradas. En este caso se usa un amplificador de instrumentación, con este se desea que se tenga la salida directamente proporcional a la diferencia del voltaje de entrada.
Para el puente de Wheatstone sabiendo que R0=100 se establece R4=100 y R1=R2=1k y k=10, como para el puente de Wheatstone se tiene
En este caso x=T entonces el máximo valor de x será para T=100°C, como =3,85.10-3, xmax=0,385, se verifica que x << k+1. Se establece V=5V, Vs=0V para 0°C, para 100°C Vs= 0.154V.
Para el amplificador de intrumentacion se busca que la salida este entre 0V y 3V, para cuanto la temperatura este entre 0° y 100° la ecuación es:
La ganancia del sistema será
G=3/0.154=19.5
Sabiendo que R5=R7=R8=R9=R10=R11=47k, la ganancia esta determinada por R6 entonces
R6=(2*R5)/(G-1)
R6=5081, y la salida sera
Para el termistor se tiene un circuito similar al de la termoresistencia en el cual se hace uso de un puente de Wheatstone para que se tenga una salida lineal con respecto a la entrada, pero se le añade una resistencia en paralelo al termistor para realizar la linealizacion del termistor porque su salida es de tipo exponencial. Luego se hace uso de un amplificador de intrumentacion para obtener con este, una salida proporcional a la salida del puente de Wheatstone, y luego se coloca un sumador con el cual se nivela la señal en cero y a la vez se amplifica la señal nuevamente.
Para el puente de Wheatstone sabiendo que R0=2.6k se establece R4=2.6k y R1=R2=22k y k=8.5, como para el puente de Wheatstone se tiene
Para la linealización se usa una resistencia en paralelo RP= 2.6k y x será:
El máximo valor de x=0.835 será para T=100°C, y para T=0°C se tiene x=0.063, se verifica que x << k+1. Se establece V=5V, Vs=-0.032V para 0°C, para 100°C Vs=-0.431V.
Para el amplificador de instrumentación se busca que la salida este entre 0V y 3V, la ecuación es:
La ganancia del sistema será
G=3/(0.431-0.032)=7.5
Sabiendo que R8=R9=R10=R11=47ky estableciendo R5=R6=10k, la ganancia esta determinada por R6 entonces
R6=(2*R5)/(G-1)
Se obtiene R6=3076
Para realizar el ajuste de ganancia y el ajuste de cero, se coloca un circuito sumador luego de la salida del amplificador con una resistencia de realimentación fija y con resistencias variables en las entradas con las cuales se realiza el ajuste de ganancia y de cero. Esta salida va a un PIC que esta configurado para hacer la conversión analógica digital y mostrar en una LCD el equivalente de ese voltaje en temperatura. El circuito superior es el de la termoresistencia y el inferior es el del termistor
Las salidas de estos circuitos van a un PIC 18F4550 el cual realiza la conversión analógica digital
Procedimiento experimental.
Se determina el margen de medida del sistema.
Luego se calculan los valores de la variable asignadas a los porcentajes establecidos, (0 %, 25%, 50%, 75%, 100% del margen de medida).
Finalmente se procede a medir la variable desde el valor menor al mayor, registrando los resultados en la tabla anexa. Y se toma en cuenta que deben registrar cinco valores para cada sensor, en cada parada de medición.
Cálculo de errores.
Temperatura promedio y desviación estándar del patron
Tabla de valores experimentales termistor
Error de cero=5-4.4=0.6
Error de ganancia=(104.6-101.6)/100=0.02
Temperatura promedio y desviación estándar del termoresistencia
Error de cero=0.2
Error de ganancia=(104.6-101)/100=0.04
Para el error de no linelidad
Análisis de errores
Tanto para la termoresistencia como para el termistor, la curva de calibración se observar que es lineal, aunque el termistor pierde linealidad para el 25% del margen de medida, y la razón de esto puede es que con la liberalización del termistor, en la cual se usa una resistencia en paralelo, y con esta se garantiza que el punto mínimo, el medio y el máximo sean lineales, pero en el 25% y en el 75% es donde hay una peor liberalización.
En cuanto al error de ganancia, se tiene que es poco, pero una de las razones de esto se debe a que los sensores no están exactamente a la misma distancia del bombillo y unos pocos de diferencia entre el bombillo, genera cambios en la temperatura que miden los sensores, además, las diferencias en las resistencias del puente de Wheatstone y en amplificador de instrumentación, producen alteraciones en la ganancia. El error de cero se pudo ajustar con el sumador que debe ser nivelado antes de empezar con la medición.
Conclusiones y recomendaciones
Para el rango de temperaturas estudiadas, un sensor basado en el uso de una termoresistencia es muy eficiente, debido a que es lineal, y como pudo verse de los resultados es precisa, por otro lado el termistor, puede ser usado para medir temperaturas con salidas lineales solo si se linealiza, hay que tomar en cuanta que según la liberalización utilizando una resistencia en paralelo, para que se tenga una salida mas lineal, es necesario usar un factor de K en el puente de Wheatstone mayor, pero eso implica que la salida del puente será mas pequeña, y por lo tanto mas sensible al ruido; esto puede aplicarse en caso de tener a la entrada del puente de Wheatstone, mayor voltaje.
Al momento de medir la temperatura, cuando se usa una variable patrón, es necesario que estén lo mas cerca posible para evitar así que existan temperaturas diferentes entre los sensores y poder así, tomar los valores de temperatura lo mas preciso posible. También es necesario tomar las resistencias lo mas exactas posibles cuando se usa un amplificador de instrumentación para que de esa manera la salda solo dependa de la ganancia deseada y de los voltajes de entrada. Para evitar que haya error de ganancia y de cero, es prudente que al comienzo se ajuste el error de cero, tomando el valor mínimo del margen de medida y luego se tome el valor final y ajustar el potenciómetro de ganancia, para tener la salida deseada y luego es q se procede a tomar las mediciones necesarias de temperatura.
