diseño_canal de medición_para temperatura
TRANSCRIPT
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Repblica Bolivariana de Venezuela
Ministerio de Educacin Superior
IUT Dr. Federico Rivero Palacios
Departamento de Electricidad
Mediciones Industriales
Diseo de un Canal de medicin para Temperatura a partir de un termopar mvil en el
Reactor de tipo Pistn ubicado en el laboratorio de Procesos Qumicos
Christian Gmez
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DESARROLLO
El canal de medicin para la variable temperatura en el reactor Tipo Pistn ubicado en el
laboratorio de Procesos Qumicos consta de los siguientes componentes o etapas:
Sensor (Termopar): ES el dispositivo convertidor de temperatura a Voltaje construido en
el mismo laboratorio de PQ a partir de dos conductores de material hierro y constatan de
tal manera que pueda deslizarse por todo lo alto del reactor con el objetivo de tomar
distintas mediciones.
Amplificador diferencial y Sumador inversor (V-V): consiste en un circuito diseado
en base a amplificadores operacionales de precisin con la premisa de disear el
sistema de medicin sin referencia a tierra. Este dispositivo se ajust a la curva
caracterstica de diseo que se muestra mas adelante la cual establece el alcance y
offset del sistema de medicin visto como instrumento.
Convertidor V-I: ES la etapa de acondicionamiento del canal de medicin. Se decidi
disear un convertidor V-I (Voltaje a corriente) por razn de que el sensor (Termopar) se
ubicara a distancia de unos 15 a 20 metros del la unidad de adquisicin de datos DAS
8000 la cual cuenta con entradas analgicas de 4 20 mA, entre otras. Este dispositivo
de acondicionamiento se diseo en base a un montaje sencillo propuesto en clase
basado en un amplificador, un transistor BJT la respectiva curva caracterstica de diseo
V-I.
Medio de transmisin: ser unos 20m de cable UTP de 4 hilos (dos para el Lazo de
corriente y dos para la alimentacin del circuito amplificador diferencial y acondicionador
que estarn muy prximos al termopar en una pequea tarjeta electrnica).
DAS 8000: El mdulo DAS-8000 es un equipo de adquisicin de seales analgicas y
digitales, que puede funcionar de forma autnoma o supervisada desde un sistema
inteligente (ordenador, PLC, etc.). Admite hasta 8 entradas analgicas configurables en
Pt-100, 0...4/20 mA, 0...10/50 mV y 8 tipos distintos de termopares provenientes de
convertidores 4/20 mA no lineal izados, (T, J, K, E, N, S, R y B).
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Caracterizacin del termopar tipo J del Reactor de Pistn
A continuacin se presenta la medicin de voltaje en el instrumento a utilizar para definir
las caractersticas del circuito de amplificacin y acondicionamiento que se deber
disear:
T(C) Vtp(mV)
0 0,000
10 0,528
15 0,791
20 1,055
25 1,319
30 1,583
35 1,847
40 2,111
45 2,374
50 2,638
55 2,902
60 3,166
65 3,430
70 3,694
75 3,957
80 4,221 85 4,485 90 4,749
95 5,013 100 5,277
Se utiliz la funcin ESTIMACION. LINEAL de Office 2007 para determinar la recta o
aproximacin lineal del termopar medido (y = mX + b). Esta determina el valor de la
pendiente m y la interseccin b por el mtodo de mnimos cuadrados.
Aproximacin Lineal de la respuesta del Termopar arrojo los siguientes resultados:
La pendiente = 0,052766275 (volt / C).
(Para un rango de 0 100C)
Y la aproximacin lineal coincide como es de esperarse con una funcin afn:
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Diseo de etapa de amplificacin (Amplificador Diferencial):
La primera etapa de amplificacin se diseo para una ganancia de 100 utilizando el principio de operacin del siguiente amplificador diferencial que deber implementarse con un amplificador o de precisin (LT1014).
R1
R3
R4330k
RE2
1
RE1
1
40%
RFU1_V-
U1_V+
3
2
1
411
U1:A
LT1014
100.00
+
-
CJ
TC1TCJ
Ilustracin 1 etapa de amplificacin
Procedimiento de Diseo:
(v1-v2); haciendo R3=R1 y R4=RF (Vo1: salida de este Amplificador
Diferencial)
La diferencia de voltaje provocado por el cambio de temperatura es V1- V2.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0
1
2
3
4
5
6
Voltaje Aprox (mV))
Temperatura C de la union
-
Por lo que Vtp (mV) = v1- v2
1. Si se selecciona una RF=330K. y se desea un caracterstica de salida como se
muestra en la figura :
0 1 2 3 4 5 6
x 10-3
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
X: 0.0055
Y: -0.55
Vtp(Voltaje del Termopar) Volts
Voltaje
de s
alid
a V
o1 d
el A
mp D
ifere
ncia
l (v
olts)
Curva V-V (Amplificador Diferencial)
Donde , entonces = 3.3k.
Es de hacer notar en el circuito anterior que REi (i=1,2) es la resistencia
equivalente del conductor conectado a cada borne del termopar. El voltaje de salida no
esta en funcin de este valor, por lo que resulta muy til esta configuracin de
amplificador.
-
R1
3.3k
R3
3.3k
R4330k
RS
33k
RE2
1
RE1
1
50%
RF330k
U1_V-
U1_V+
U1_V+
R2
3
2
1
411
U1:A
LT1014
5
6
7
LT1014
100.00
+
-
CJ
TC1TCJ
10
9
8
LT1014
49%
RV11k
U1_V-
ROS330k
RF(3)
Ilustracin 2Amplificador Diferencial y Sumador inversor
Ilustracin 3
Como se muestra en la figura, El convertidor y amplificador del sistema de medicin estar compuesto por dos etapas de amplificadores Operacionales en cascada: (Amp Diferencial + Amp Sumador inversor).
Criterio de diseo:
Se desea que el sistema de medicin posea el Cero Suprimido para efectos de percibir las fallas en el mismo.
Se desea que todo la etapa (V-V) indicada arriba tenga la siguientes curva caracterstica donde :
mo: es la pendiente o ganancia toda la etapa
b: interseccin o valor min de la medicin (offset) (1Volt) Vtp: diferencia de potencial producida por el cambio de temperatura
En el circuito: y anteriormente
; (amplificador diferencial)
de modo que: =
esta ecuacin se ajustar a la curva caracterstica del amplificador en la siguiente figura:
Vo1
(
Vo(AO)
-
0 1 2 3 4 5 6
x 10-3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10X: 0.00525
Y: 9.954
Vtp: diferncia de voltaje del termopar [mVolt]
Vo
salid
a d
e v
oltaje
anal
gic
o [
Vols
]
mo =
100RS/R2
de la ecuacin anterior: y partir de la grfica:
entonces si se asume a :
por otro lado la interseccin indica que:
donde Vref = -12Volts (por deduccin) y en consecuencia
ROS= 350K +50K (variable)
R1
3.3k
R3
3.3k
R4330k
RS
33k
RE2
2
RE1
2
3%
RF330k
U1_V-
U1_V+
Volts
+9.65
Volts
-0.52
R22.0k
3
2
1
411
U1:A
LT1014
5
6
7
U1:B
LT1014
100.00
+
-
CJ
TC1TCJ
U1_V-ROS350k
R8
10k
0%
RV3
50k
4 Simulacin : T=100C, Vo1=527mVolt, Vo=9,65V
-
Convertidor V-I:
Esta etapa del canal de medicin ser implementada por el montaje estudiado en clase compuesto por un amplificador operacional (uno de los cuatro que posee el circuito integrado LT1014 ) y un transistor BJT tipo NPN y una resistencia R que limita la cantidad de corriente suministrada a la carga flotante (Sin retorno por tierra).
La Caracterstica de transferencia deseada es:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
5
10
15
20
Vo (voltaje de salida analgica del amplificador conversor V-V)
I (s
alid
a d
e c
orr
iente
en m
A)
m = 1,777mA/Volts
En caracterstica de transferencia del convertidor se denota la pendiente m:
la ecuacin de conversin es interseccion (offset de corriente)
para (Vo , I) = (1volt , 4mA) :
luego :
La carga flotante para este convertidor ser una de las entradas analgicas (4mA-20mA) del dispositivo de adquisicin de datos DAS8000 cuyos requerimientos para la interconexin haciendo uso de esta entrada, es que la misma sea puenteada o conectada en paralelo con una resistencia shunt como se indica a continuacin:
-
Volts
+8.78
12
13
14
U1:D
Q12N2219
R282
RL3.0
RL = Rloop + Rshunt
R8
100k
U1_V+
mA
+26.4
0%RVAR
50
La resistencia limitadora R se calculo sustituyendo los valores de I(a),Vo(a) e I(b),Vo(b) de la caracterstica V-I en la ecuacin :
282
La resistencia del Lazo de corriente Rloop se determina a partir de:
cu: resistividad del cobre=1,71 x 10-8 *m Acu: rea de la seccin transversal del cable a utilizar (El manual del DAS 8000
seala que debe usarse cable de cobre de una seccin transversal Mnima de 1,5
.
La l: es la longitud del cable medida desde el convertidor V-I hasta la ubicacin del dispositivo DAS8000 (20m segn el enunciado).
A partir de esta informacin la resistencia Rloop del lazo de corriente para esta aplicacin ser:
-
Este valor de Rloop cumple con la condicin:
donde Vo es el voltaje de salida full escala analgico del Amplificador (etapa
V-V)
Vsat: voltaje de La fuente de alimentacin(12v)
es decir, se debe cumplir la condicin de NO saturacin del Amp_OP.
Al sustituir:
para (@T=100C) nos queda :
.
A continuacin se muestra el sistema ( sensor + amplificador + convertidor V-I) con la medicin del mnimo valor de temperatura en el proceso (T=0C,I=3,63mA)
R1
3.3k
R3
3.3k
R4330k
RS
33k
RE2
2
RE1
2
62%
RF330k
B112V
B212V
U1_V+
U1_V-
U1_V-
U1_V+
Volts
+1.16
Volts
-0.00
R22.0k
3
2
1
411
U1:A
LT1014
5
6
7
U1:B
LT1014
0.00
+
-
CJ
TC1TCJ
U1_V-
ROS350k
12
13
14
U1:D
Q12N2219
R282
RL3.0
RL = Rloop + Rshunt
R8
100k
U1_V+
mA
+3.49
0%RVAR
50
R510k
3
2
1
411
U2:A
LT1014
50%
RV11k
U1_V-
El error porcentual evaluado en la simulacin del canal de medicin para T=0C:
-
A continuacin se muestra la simulacin del canal de medicin para T=100C:
R1
3.3k
R3
3.3k
R4330k
RS
33k
RE2
2
RE1
2
73%
RF330k
U1_V-
U1_V+
Volts
+6.79
mV
-343
R22.0k
3
2
1
411
U1:A
LT1014
5
6
7
U1:B
LT1014
100.00
+
-
CJ
TC1TCJ
U1_V-
ROS350k
12
13
14
U1:D
Q12N2219
R282
RL3.0
RL = Rloop + Rshunt
R8
100k
U1_V+
mA
+20.5
0%RVAR
50
R510k
3
2
1
411
U2:A
LT1014
56%
RV11k
U1_V-
Para una temperatura mxima del proceso de T=100C la medicin de corriente I=26,5mA. El %Error en esta condicin de operacin es:
(ajustando la ganancia o span RF)
-
Conclusiones:
La herramienta de simulacin PROTEUS (Version7.7 SP2) utilizada en los diseos realizados durante esta tarea , es de utilidad muy alta.
Todos los Amplificadores Operacionales disponibles no pueden utilizarse cuando la aplicacin requiere medicin de seales muy pequeas. Debe seleccionarse las gamas de dispositivos de Precisin
Se recomienda la implementacin de este canal de medicin de temperatura para las actividades del Laboratorio de Procesos Qumicos del IUT Dr. Federico Rivero Palacios. Es factible su implementacin ya que resulta muy econmica y sencilla.
Bibliografa
Arthur B. Williams: Amplificadores operacionales, Teora y sus aplicaciones
J Michael Jacob: Industrial Control Electronics
Prof. Eugenio Cesan: Clases Mediciones Industriales