Calibrador de lazo

7/25/2019 Calibrador de lazo

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA MADRE Y MAESTRAFACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELECTRNICA YELECTROMECNICA

ASIGNATURA: Laboratorio de Instrumentacin Electrnica(ITE-342-P-071)

REPORTE No.:1

TTULO:Diseo de calibrador de lazo 4-20 mA y generador de milivoltios

PRESENTADO POR:Xavier Pacheco P. 2012-1888

PROFESOR:Vladimir del Rosario

FECHA DE ENTREGA:22/06/2016

SANTIAGO, REPBLICA DOMINICANA


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ITE 342- INSTRUMENTACIN ELECTRNICA 2

OBJETIVOS

Disear, construir y probar un generador de corriente de lazo de 4-20 mA.

Disear, construir y probar un generador de milivoltios como simulador deuna termocupla.

Consolidar los conocimientos prcticos sobre fuentes de corrienteconstante y diseo de circuitos impresos.

Familiarizarse de manera ms profesional con el Gestor GrficoAvanzado de Datos RSG40.

SNTESIS CONCEPTUAL

La seal 4-20 mA

El lazo de corriente de 4-20 mA se utiliza para las comunicaciones entre equiposindustriales, siendo una alternativa ms entre la gran cantidad de protocolosexistentes, pero su sencillez la ha mantenido vigente y por lo mismo debemosconocer sus componentes que completan el lazo, los tipos de lazo, rangos defuncionamientos y cables recomendados. La forma ms popular para transmitirseales en instrumentacin industrial, aun hoy en da, es el estndar 4 a 20miliamperios DC. Esta es una seal estndar, que significa que la seal decorriente usada es usada proporcionalmente para representar seales demedidas o salidas (comandos). [2]

Tpicamente, un valor de 4miliamperios de corriente representa0% de medida, y un valor de 20miliamperios representa un 100% de lamedida, y cualquier otro valor entre 4 y20 miliamperios representa unporcentaje entre 0% y 100%.

Por ejemplo, si estamos calibrando un

transmisor de temperatura a 4-20mApara medir rango de 50 a 250 gradosC, podramos representar los valoresde corriente y temperatura como elsiguiente grfico: vea figura 1.

Calibradores de lazo

Los instrumentos de testeo electrnicos llamados "calibradores de lazo" sonfabricados con propsito expreso "solucionar problemas en lazos de corriente 4-20mA". Estos instrumentos verstiles son generalmente capaces no solo de

medir corriente, sino que tambin generar corriente hacia dispositivos pasivos enun lazo, y tambin simular la operacin de un transmisor "loop-powered" 4-20mA.

Figura 1


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En nuestro caso, nos enfocaremos en el calibrador usado solo como fuente. Porejemplo, la figura 2 muestra un calibrador Altek usado como fuente de corrienteenviando una seal de 16.00mA como PV (variable de proceso) de entrada delcontrolador. [3]

Fuente de corriente contante controlada por voltaje

La figura 3 muestra una fuente de corrientecontrolada por voltaje. La fuente est

destinada a suplir la misma corrienteIout

independientemente del voltaje Vccaplicado. El valor de la corriente de salidadebe ser ajustado por el voltaje de entradaVin. Por la configuracin de seguidor, elvoltaje a travs de la resistencia dereferencia es el voltaje aplicado Vin, ycomo consecuencia el emisor emite unacorriente en dicho resistor que viene dadapor

iRR=

Aplicando la ley de corriente de Kirchhoff a todo el transistor como tal tenemos,

IOUT = iB

Donde la corriente de base iB es despreciable con la condicin de que el transistor

permanezca en la regin activa. Una ventaja prctica de este transistor es que

el op amp debe entregar una pequea corriente de base, y esta corriente es lo

suficiente pequea como para no exceder la capacidad del op amp de entregar

corriente. Este es el principio del diseo que llevaremos a cabo. [1]

Figura 2

Figura 3


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CLCULOS Y DISEO TERICO

Fuente de corr iente de 4-20 mA

En la figura 3 se muestra nuevamenteel circuito base. Se necesita que estecircuito entregue una corriente de lazode 4 a 30 mA. Se alimentar con 24Vprovenientes de las estaciones decontrol Lab-Volt serie 3500. Paraobtener esos valores de corriente senecesita calcular el voltaje de controlVin. Se elegir arbitrariamente un valorde Rs=100. Tenemos que,

VRLOW = ILOW * Rs = 410 100=0.4VRHIGH = IHIGH * Rs = 2010 100 = 2

Para fines prcticos el calibrador trabajar de dos modos. El modo de ajuste fino,el cual est basado en un potencimetro que hace variar la corriente desde 4hasta 20 mA. El segundo modo de trabajo es modo escaln, el cual con el usode selectores se elige entre las corrientes predeterminadas, 4, 8, 12 y 20mA.Para poder obtener esas corrientes se calcula el voltaje de control, es decir,

V8ma = 8

10

100=0.8

V12ma = 1210 100=1.2V16ma = 1610 100=1.6V20ma = 2010 100 = 2

Es imprescindible encontrar una manera de generar estas referencias devoltaje. Para ello se haruso de los divisores devoltaje.

Figura 4: Divisores de tensin


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Modo ajuste fino 4-20 mA

Para obtener un ajuste fino de 4 a 20 mA se debe calculardos resistencias fijas (R1 y R2) y hacer uso de unpotencimetro (Rvar) como se muestra en la figura 5.

Arbitrariamente se elige un potencimetro de Rvar = 10 k.

Previamente se calcularon los voltajes mnimo y mximo. Porlo tanto, se tiene que el span es

VRHIGH VRLOW = 20.4 = 1.6V lo que conlleva a una corrientede

1.61010 = 0.16

Con lo que se obtienen las resistencias R1 y R2

1 = .. = 2.5 2 =

. = 137.5

Modo escaln 8, 12, 16 y 20 mA

Se aplica el mismo concepto anterior, solo que en este casono tendremos potencimetro, pues se desean voltajes fijosen ramas separadas.

El divisor de voltaje para obtener 0.8V correspondiente alos 8 mA es:

0.8 = 4 24 3+ 4

0.8

24

= 4

3+ 4

R4=0.8 kR3 + R4 = 24 kR3 = 23.2 k

Los dems taps se obtienen del mismo modo. En resumen:

Tabla 10.8V 1.2V 1.6V 2V

R3 = 23.2 kR4 = 800

R5 = 22.8 kR6 = 1.2 k

R7 = 22.4 kR8 = 1.6 k

R9 = 22 kR10 = 2 k

Figura 5: Configuracin

de ajuste fino

Figura 6: Modo escaln


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Generador de mV Simulador de termocupla

Con el fin de calibrar los instrumentos es necesario una fuente de mV muyprecisa. Para este caso es necesario utilizar dispositivos de precisin. Unareferencia de voltaje de alta precisin proveniente del TL431 y la regulacin a

base de un potencimetro de precisin. El circuito consiste en un voltaje dereferencia y un arreglo de resistores, los cuales, agregando el potencimetro deprecisin, permiten reducir o aumentar el potencial de salida en un rangoaproximado de 0-225 mV. La resistencia de entrada de la referencia se elige unvalor arbitrario de R11= 1 k solo para suministrar la corriente necesaria para sufuncionamiento. Rvar1 = 10 k y R12=100

DISEO PRCTICO

Ya es posible hacer una lista de los materiales a utilizar para llevar a cabo este

diseo en la prctica. NOTA: Tolerancia 10% para resistores es aceptable.

Tabla 2Componentes Cantidad

CI LM358 1

Transistor 2N3904 1

CI TL431 1

Trimmer 10 k 1

Potencimetro 10 kde panel 1

Resistor 1 k 1

Resistor 100 2

Resistor 400 5

Resistor 22 k 4

Resistor 1.2 k 2

Resistor 1.6 k 1

Resistor 2 k 1

Resistor 36 k 1

Resistor 100 k 1

Resistor 1.5 k 1

Caja de registro plstica 1

Conectores Banana tipo Hembra 4

SPDT Switches 4

Base CI 8 pines 1Cable de cobre 24 AWG 5 pies

Figura 7


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Circuito completo en Proteus 8.4 listo para ser trasladado a circuito impreso

Figura 8


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Arreglo de res istencias

En vista de la dificultad de conseguir los resistores calculados, se procedi autilizar suma de resistencias para obtener el valor deseado. Los arreglos son:

R1 = 2.5 k= 2k + 500R2 = 137.5 = 100k+ 36k+ 1.5kR3 = 23.2 k= 22 k+ 1.2 kR4 = 800 = 400+ 400R5 = 22.8 k= 22 k+ 400+ 400R7 = 22.4 k= 22 k+ 400

Circuito impreso y estructura fsica

Figura 9: Bottom Copper


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Figura 10: Estructura Frontal

Figura 11: Estructura Frontal fsica


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ITE 342- INSTRUMENTACIN ELECTRNICA11

CONCLUSIONES

A travs del desarrollo de esta prctica fue posible introducirse efectivamente en

el rea de instrumentacin electrnica. Los objetivos planteados al inicio se

lograron satisfactoriamente, ya que se logr construir fsicamente un calibrador

de lazo 4-20 mA siendo este un instrumento muy importante. Adems, se logr

simular una termocupla como parte del calibrador. En general, los conocimientos

sobre fuentes de corriente constante fueron consolidados, as como el uso del

gestor grfico avanzado de datos RSG40.

Segn la tabla 3 y 4, as como la figura 12, muestran que el calibrador construidofunciona adecuadamente. Se pudo observar la buena linealidad con losresultados obtenidos grfica y numricamente. De acuerdo a la tabla 3 loserrores fueron menores al 2% en general, lo que confirma que el calibrador tiene

cierto grado de precisin y exactitud aceptable.

Cabe destacar que durante la realizacin de esta prctica se enfrentaron muchosproblemas. En primer lugar, el circuito de la figura 13 suministrado por el profesorpresent problemas ya que no se obtenan los valores de las corrientes en elrango de 4 a 20 mA. Hay que resaltar que ese circuito es totalmente funcional,pero necesita de bastante precisin en los elementos y esa precisin fueimposible obtenerla. No se pudo encontrar cual fue el problema exacto, pero seasume en base a algunas pruebas que el problema pudo estar en laconfiguracin de los dos opamps ya que no se poda obtener la gananciadeseada. Es por eso que por cuestin de tiempo se procedi a disear el circuito

de la figura 8 que elimina el problema de la ganancia del segundo opamp.Adems, el circuito de la figura 8 present buen funcionamiento con resistoresde 10%. El problema del circuito de la figura 13 se pudo haber resuelto conpotencimetros de precisin, pero el precio de esos dispositivos es relativamentealto.

Se concluye que esta prctica consolid los conocimientos sobre diseo decircuitos y busca de alternativas frente a problemas. Tambin ayud a apreciarla importancia de la precisin en el mundo de la instrumentacin industrial.


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Anexos

Figura 13


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Referencia bibliogrfica

[1]"Nullor", Wikipedia, 2016. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Nullor.

[Accessed: 21- Jun- 2016].[2]J. Villajulca, "La seal 4-20mA y su proporcin a variables fisicas: nunca esta de mas

repasarlo", Instrumentacionycontrol.net, 2016. [Online]. Available:

http://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/instrumentacion/curso-practico-

de-instrumentacion/item/345-la-se%C3%B1al-4-20ma-y-su-proporci%C3%B3n-a-

variables-fisicas-nunca-esta-de-mas-repasarlo.html. [Accessed: 20- Jun- 2016].

[3]J. Villajulca, "Usando calibradores de lazo: medicin, generacin y simulacin",

Instrumentacionycontrol.net, 2016. [Online]. Available:

http://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/instrumentacion/curso-practico-

de-instrumentacion/item/352-usando-calibradores-de-lazo-medici%C3%B3n-

generaci%C3%B3n-y-simulaci%C3%B3n.html. [Accessed: 19- Jun- 2016].

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