ACONDICIONAMIENTO EN SENSORES DE TEMPERATURA PARA HALLAR TEMPERATURA PROMEDIO Y ADECUACIN EN SENSOR DE EFECTO HALL

Dubenis Andrea Lpez Lpez, Daniel Fernando Gmez Guzmn

dubenislopez165058@correo.itm.edu.codanielgomez151853@correo.itm.edu.co

Pregrado en Ingeniera Mecatrnica. ITM 2015, Medelln.

Resumen. En este documento se utilizan diversas configuraciones de amplificadores operacionales para establecer las condiciones adecuadas en las seales elctricas provenientes de los sensores de temperatura de tal modo que se pueda obtener una funcin de transferencia comn en los tres sensores, la cual es 50mV por cada grado centgrado. Posteriormente dichas salidas acondicionadas son promediadas para obtener un voltaje promedio con el cual se puede deducir fcilmente la temperatura promedio. La verificacin de los clculos y corroboracin de las hiptesis planteadas se realiza en Proteus. Adicionalmente se hace uso de un sensor de efecto Hall para medir la magnitud del campo magntico de un imn. Palabras clave: Funcin de transferencia, sensores de temperatura, acondicionamiento de un sensor, aplicacin del diodo zener como voltaje de referencia, puente de Wheatstone, sensor de efecto Hall.

Abstract. This paper use operational amplifiers in some of its settings to set the appropriate conditions in sensors electric signals to get a current transfer function: 50mV/C. After the signal are averaged to get a mean temperature. The check is performed in Proteus. Too the document utilizes an effect Hall sensor to measure the magnetic field.

Keywords: Transfer function, temperature sensors, conditioning sensors, zener diode to reference voltage, Wheatstone bridge, effect Hall sensor.

1. INTRODUCCIN

Por medio de esta prctica se integran las diversas competencias adquiridas en clase, como el anlisis de las configuraciones para los amplificadores operacionales y el control sobre las salidas de sensores por medio del acondicionamiento, para hallar la temperatura promedio y la magnitud de un campo magntico.

Entre los sensores LM35, LM335 y PT100 al que se le ha dado mayor uso en el libro Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales de Coughlin es el LM335. En dicho texto se acondiciona la salida del sensor para obtener una relacin de transferencia y un rango adecuado para un microcontrolador, sto se encuentra en la pgina 77 de la cuarta edicin. La PT100 no tiene un comportamiento lineal sin embargo se hace una aproximacin para emplear dicho dispositivo en aplicaciones lineales. La demostracin para aproximar el comportamiento se encuentra en el libro Sensores resistivos y su acondicionamiento de Ignacio Moreno Velasco, docente de la Universidad de Burgos. Claramente la aplicacin presentada en este documento no ha sido analizada en la literatura cientfica por lo que implica un esfuerzo considerable comprender el diseo sugerido.

Este proyecto se hace para motivar a los estudiantes por medio de una prctica til a nivel industrial ya que el conocimiento de la temperatura promedio es de vital importancia en los procesos de produccin puesto que afecta notablemente el producto final. Este escrito se organiza de la siguiente manera: En el siguiente apartado se muestran los objetivos, en [3] se encuentra el marco terico, en [4] se desarrolla el trabajo y en [5] se exponen las fuentes bibliogrficas.

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo general:

Disear un circuito de acondicionamiento que permita hallar la temperatura promedio y la magnitud de un campo magntico.

2.2. Objetivos especficos:

Describir el funcionamiento del circuito a travs de un diagrama de bloques.

Calcular las variables elctricas asociadas a los componentes elctricos empleados.Elaborar un montaje virtual en un simulador.

Determinar la veracidad del diseo por medio de un montaje fsico.

3. MARCO TERICO

3.1. Sensor:

Dispositivo que mide magnitudes fsicas y produce una variable elctrica asociada a la medicin.

3.2. Circuito de acondicionamiento:

Circuito cuya funcin es adaptar la respuesta de los sensores para llevarla a unas condiciones deseadas.

3.3. Circuito lineal:

Es un circuito que obedece al principio de superposicin: F(ax + by)=aF(x)+bF(y)

3.4. AMPLIFICADOR NO INVERSOR:

Circuito que amplifica pero no invierte.

3.5. AMPLIFICADOR OPERACIONAL:

Es un dispositivo que realiza operaciones matemticas lineales a seales elctricas.

Figura 1. Amplificador operacional general.Fuente: Coughlin, Driscoll. (1999). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales (p. 518). Mxico: Prentice-Hall.

3.6. Funcin de transferencia:

Relacin entre la entrada y salida de un sistema.

3.7. Ganancia:

Es la razn entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada.

3.8. Amplificador inversor: Hace que la seal de salida este invertida con respecto a la seal de entrada. No amplifica si Rf=Ri.

Figura 2. Amplificador inversor.Fuente: Coughlin, Driscoll. (1999). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales (p. 518). Mxico: Prentice-Hall.

3.9. Fuente dual:

Es la fuente que se requiere generalmente para polarizar los amplificadores operacionales. Consiste en dos fuentes conectadas en serie y en cuyo nodo se encuentra una tierra virtual.

Figura 3. Fuente dual o bipolar.Fuente: Coughlin, Driscoll. (1999). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales (p. 518). Mxico : Prentice-Hall.

3.10. Amplificador sumador inversor:

Es un circuito cuyo voltaje de salida es igual al inverso de la suma de los voltajes de entrada.

Figura 4. Sumador inversor.Fuente: Coughlin, Driscoll. (1999). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales (p. 518). Mxico: Prentice-Hall.

3.11. Amplificador restador inversor:

Es un circuito cuya salida resta los valores de entrada as: V2-V1 y tiene una ganancia R3/R1 si R3=R4 y R1=R2

Figura 4. Restador inversor.Fuente: Coughlin, Driscoll. (1999). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales (p. 518). Mxico: Prentice-Hall.

3.12. Diodo zener:

Es un tipo de diodo que al ser polarizado inversamente se comporta como una fuente de voltaje fija en caso de alcanzarse o superarse el voltaje zener en el circuito abierto asociado a la ubicacin de dicho componente elctrico.

Figura 5. Diodo zener.Fuente: Boylestad. (1997). Electrnica: Teora de circuitos (p. 948). Mxico: Prentice-Hall.

Figura 6. Curva caracterstica del diodo zener.Fuente: Boylestad. (1997). Electrnica: Teora de circuitos (p. 948). Mxico: Prentice-Hall.

4. DESARROLLO:

El funcionamiento del sistema puede ser comprendido por medio de un diagrama de bloques:

Figura 7. Diagrama de bloques para hallar temperatura promedio.

Figura 8. Diagrama de bloques para hallar magnitud del campo magntico.

4.1. Temperatura promedio.

4.1.1. Etapa de acondicionamiento.

4.1.1.1. Acondicionamiento sensor LM35:

Este dispositivo tiene una funcin de transferencia igual a 10mV/C. La salida deseada es 50mV/C por lo que es evidente que se debe utilizar un amplificador no inversor con ganancia igual a 5.

Figura 9. Acondicionamiento de un sensor LM35.

4.1.1.2. Acondicionamiento sensor LM335:

Este sensor requiere una calibracin para la cual se hace variar un trimer hasta que el voltaje entre las 2 patas del componente de precisin sea igual al voltaje que debe entregar el sensor para la temperatura en ese instante. La funcin de transferencia es [T(C) + 273]*10mV. Se observa claramente que no es evidente la manera de obtener 50mV/C. No obstante se puede deducir si se tiene en cuenta que el offset es (0+273)*10mV=2,73V. Si se emplea un restador con ganancia igual a 5 para quitar este voltaje mnimo se obtiene 50mV/C. Figura 10. Acondicionamiento de un sensor LM335.

Como puede observarse se utiliza un diodo zener para establecer el setpoint (voltaje de referencia) con un divisor de voltaje en vista de que en este tipo de diodos si el voltaje en el circuito abierto asociado a su posicin es mayor o igual al voltaje zener este componente se comporta como una fuente fija cuyo voltaje es igual al voltaje zener, evitando de esta manera cadas en el voltaje de referencia.

4.1.1.3. Acondicionamiento PT100:

El comportamiento de una PT100 no es lineal por lo que se pretende conseguir una aproximacin lineal. La salida de este sensor es una resistencia cuyo valor se asocia a una temperatura dada. En la tabla siguiente se muestran los valores:

Tabla I.Resistencia de la PT100 en base a la temperatura.CResistencia PT100

0100

1100,39

2100,78

3101,17

4101,56

5101,95

10103,9

15105,85

20107,79

25109,74

30111,67

35113,61

40115,54

45117,47

50119,4

55121,32

60123,24

65125,16

70127,07

75128,99

80130,89

85132,8

90134,7

95136,6

100138,5

105140,4

110142,29

115144,18

120146,06

125147,95

130149,83

135151,7

140153,58

145155,45

150157,32

155159,19

160161,05

165162,91

170164,76

175166,62

180168,47

185170,31

190172,16

195174

200175,84

205177,68

210179,51

215181,34

220183,17

225185

230186,82

235188,64

240190,46

245192,27

250194,08

255195,89

260197,69

265199,5

270201,29

275203,09

280204,88

285206,68

290208,46

295210,25

Fuente: Aryan: Control & Instrumentacin. http://www.arian.cl/downloads/nt-004.pdf

Se suele acondicionar con la ayuda de un puente de Wheatstone cuando los cambios en la resistencia son muy pequeos. Cabe agregar que no es recomendable conectar el puente de Wheatstone a un voltaje de alimentacin mayor a 12V:

Figura 11. Puente de Wheatstone.Fuente: Ignacio Moreno Velasco. Apuntes de instrumentacin electronica.Universidad de Burgos.

Aplicando divisor de voltaje es notorio que:

Cuando VA es igual a VB el puente se halla en equilibrio.

Como la PT100 entrega 100 cuando hay 0C este punto se toma como la referencia de voltaje y el voltaje Vm debe ser cero cuando esto ocurra. Por lo anterior expuesto se asumen las dems resistencias de puente iguales a 100. Como Vm no es un voltaje de salida se debe emplear un restador para obtener dicho voltaje. La ganancia de este restador es muy difcil deducirla por lo que se realiza una tabla y una interpolacin para facilitar el anlisis:

Tabla II.Resistencia de la PT100 y voltaje en el puente para diversas temperaturas.CResistencia PT100[]Voltaje en pt100[V]CVoltaje puente[V]

01002,500

1100,392,50486551210,004865512

2100,782,50971212320,009712123

3101,172,51453994130,014539941

4101,562,51934907740,019349077

5101,952,52413963950,024139639

10103,92,547817558100,047817558

15105,852,571046879150,071046879

20107,792,593724433200,093724433

25109,742,616096119250,116096119

30111,672,637832475300,137832475

35113,612,659285614350,159285614

40115,542,680244966400,180244966

45117,472,700832299450,200832299

50119,42,721057429500,221057429

55121,322,740827761550,240827761

60123,242,760258018600,260258018

65125,162,779356902650,279356902

70127,072,798035848700,298035848

75128,992,816498537750,316498537

80130,892,834466629800,334466629

85132,82,852233677850,352233677

90134,72,869620793900,369620793

95136,62,886728656950,386728656

100138,52,9035639411000,403563941

105140,42,9201331111050,420133111

110142,292,9363572581100,436357258

115144,182,9523302481150,452330248

120146,062,9679752911200,467975291

125147,952,9834644081250,483464408

130149,832,9986390751300,498639075

135151,73,0135081451350,513508145

140153,583,0282356651400,528235665

145155,453,0426697981450,542669798

150157,323,056894141500,55689414

155159,193,070913231550,57091323

160161,053,0846581111600,584658111

165162,913,0982085121650,598208512

170164,763,1114972051700,611497205

175166,623,1246718181750,624671818

180168,473,1375945171800,637594517

185170,313,150271911850,65027191

190172,163,1628453851900,662845385

1951743,1751824821950,675182482

200175,843,1873549882000,687354988

205177,683,1993661772050,699366177

210179,513,2111552362100,711155236

215181,343,2227909292150,722790929

220183,173,234276232200,73427623

2251853,2456140352250,745614035

230186,823,2567463912300,756746391

235188,643,2677383592350,767738359

240190,463,2785925772400,778592577

245192,273,2892530882450,789253088

250194,083,2997823722500,799782372

255195,893,3101828382550,810182838

260197,693,3204004172600,820400417

265199,53,3305509182650,830550918

270201,293,3404693152700,840469315

275203,093,3503249862750,850324986

280204,883,3600104962800,860010496

285206,683,3696361032850,869636103

290208,463,3790442852900,879044285

295210,253,3883964542950,888396454

El objetivo es observar la relacin entre voltaje de puente y la temperatura. Por medio de una interpolacin realizada en Excel se puede ver dicha relacin:

Figura 12. Voltaje puente versus temperatura.

El valor 0.0643V es un offset muy pequeo y por consiguiente se desprecia. Como se quiere obtener 50mV/C entonces:

0.003*T(C)*X=50mVX=50/3Donde X es la ganancia del restador.

Figura 13. Acondicionamiento de la PT100.

4.1.2. Etapa para promediar la temperatura:

Se necesita sumar los voltajes acondicionados por medio de un sumador cuya ganancia sea 1/3. De esta forma se obtiene el promedio. En caso de utilizar un sumador inversor debe aadirse un inversor a la salida del sumador.

Figura 14. Hallar temperatura promedio.

4.2. Magnitud del campo magntico:

Un sensor de efecto Hall mide la intensidad del campo magntico en gauss. El sensor UGN3503 tiene una salida lineal:

Figura 15. Salida del UGN3503.

Obviamente el voltaje de alimentacin con que se polariza el sensor afecta la funcin de transferencia.

Este sensor no requiere calibracin y tiene un comportamiento lineal cuando el campo magntico es menor a 900 gauss, empleando un voltaje de alimentacin igual a 5V. Su funcin de transferencia tpica es 1.3mV/G, aunque puede tener un valor mnimo de 0.75mV/G y un mximo de 1.75mV/G.

Al realizar el montaje el imn debe estar lo mas cerca posible del sensor y las puntas del multmetro deben estar relativamente alejadas del sensor, adems se debe aislar el imn con papel para evitar afectar el campo magntico por el contacto.

Idealmente las mediciones del campo magntico deben ser las mismas en ambos lados del imn. Sin embargo esto cumple solo si el imn tiene una geometra simtrica.

Este sensor tiene un offset igual a 2.5V por lo que se usa un restador con ganancia uno para acondicionarlo.

5. DIAGRAMA ESQUEMTICO DEL CIRCUITO

6. REFERENCIAS

Coughlin, Driscoll. (1999). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales (p. 518). Mxico: Prentice-Hall.