República Bolivariana de Venezuela

Ministerio de Educación Superior

IUT “Dr. Federico Rivero Palacios “

Departamento de Electricidad

Mediciones Industriales

Diseño de un Canal de medición para Temperatura a partir de un termopar móvil en el

Reactor de tipo Pistón ubicado en el laboratorio de Procesos Químicos

Christian Gómez

DESARROLLO

El canal de medición para la variable temperatura en el reactor Tipo Pistón ubicado en el

laboratorio de Procesos Químicos 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 diseñado

en base a amplificadores operacionales de precisión con la premisa de diseñar el

sistema de medición sin referencia a tierra. Este dispositivo se ajustó a la curva

característica de diseño que se muestra mas adelante la cual establece el alcance y

offset del sistema de medición visto como instrumento.

Convertidor V-I: ES la etapa de acondicionamiento del canal de medición. Se decidió

diseñar un convertidor V-I (Voltaje a corriente) por razón de que el sensor (Termopar) se

ubicara a distancia de unos 15 a 20 metros del la unidad de adquisición de datos DAS

8000 la cual cuenta con entradas analógicas de 4 – 20 mA, entre otras. Este dispositivo

de acondicionamiento se diseño en base a un montaje sencillo propuesto en clase

basado en un amplificador, un transistor BJT la respectiva curva característica de diseño

V-I.

Medio de transmisión: será unos 20m de cable UTP de 4 hilos (dos para el Lazo de

corriente y dos para la alimentación del circuito amplificador diferencial y acondicionador

que estarán muy próximos al termopar en una pequeña tarjeta electrónica).

DAS 8000: El módulo DAS-8000 es un equipo de adquisición de señales analógicas y

digitales, que puede funcionar de forma autónoma o supervisada desde un sistema

inteligente (ordenador, PLC, etc.). Admite hasta 8 entradas analógicas 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).

Caracterización del termopar tipo J del Reactor de Pistón

A continuación se presenta la medición de voltaje en el instrumento a utilizar para definir

las características del circuito de amplificación y acondicionamiento que se deberá

diseñar:

T(ºC) 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 utilizó la función ESTIMACION. LINEAL de Office 2007 para determinar la recta o

aproximación lineal del termopar medido (y = mX + b). Esta determina el valor de la

pendiente “m” y la intersección “b” por el método de mínimos cuadrados.

Aproximación Lineal de la respuesta del Termopar arrojo los siguientes resultados:

La pendiente = 0,052766275 (volt / ºC).

(Para un rango de 0 – 100ºC)

Y la aproximación lineal coincide como es de esperarse con una función afín:

Diseño de etapa de amplificación (Amplificador Diferencial):

La primera etapa de amplificación se diseño para una ganancia de 100 utilizando el principio de operación del siguiente amplificador diferencial que deberá implementarse con un amplificador o de precisión (LT1014).

R1

R3

R4330k

RE2

1

RE1

1

40%

RFU1_V-

U1_V+

3

2

1

411

U1:A

LT1014

100.00

+

-

CJ

TC1TCJ

Ilustración 1 ª etapa de amplificación

Procedimiento de Diseño:

(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 ºC de la union

Por lo que Vtp (mV) = v1- v2

1. Si se selecciona una RF=330KΩ. y se desea un característica 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 = 3.3kΩ.

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 función de este valor, por lo que resulta muy útil esta configuración 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)

Ilustración 2Amplificador Diferencial y Sumador inversor

Ilustración 3

Como se muestra en la figura, El convertidor y amplificador del sistema de medición estará compuesto por dos etapas de amplificadores Operacionales en cascada: (Amp Diferencial + Amp Sumador inversor).

Criterio de diseño:

Se desea que el sistema de medición 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 característica donde :

mo: es la pendiente o ganancia toda la etapa

b: intersección o valor min de la medición (offset) (1Volt) Vtp: diferencia de potencial producida por el cambio de temperatura

En el circuito: y anteriormente

; (amplificador diferencial)

de modo que: =

esta ecuación se ajustará a la curva característica 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

analò

gic

o [

Vols

]

mo =

100RS/R2

de la ecuación anterior: y partir de la gráfica:

entonces si se asume a :

por otro lado la intersección indica que:

donde Vref = -12Volts (por deducción) y en consecuencia

ROS= 350KΩ +50KΩ (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 Simulación : T=100ºC, Vo1=527mVolt, Vo=9,65V

Convertidor V-I:

Esta etapa del canal de medición será 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 Característica de transferencia deseada es:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

5

10

15

20

Vo (voltaje de salida analógica del amplificador conversor V-V)

I (s

alid

a d

e c

orr

iente

en m

A)

m = 1,777mA/Volts

En característica de transferencia del convertidor se denota la pendiente m:

la ecuación de conversión es interseccion (offset de corriente)

para (Vo , I) = (1volt , 4mA) :

luego :

La carga flotante para este convertidor será una de las entradas analógicas (4mA-20mA) del dispositivo de adquisición de datos DAS8000 cuyos requerimientos para la interconexión haciendo uso de esta entrada, es que la misma sea puenteada o conectada en paralelo con una resistencia shunt como se indica a continuación:

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 característica V-I en la ecuación :

282Ω

La resistencia del Lazo de corriente Rloop se determina a partir de:

ρcu: resistividad del cobre=1,71 x 10-8 Ω*m

Acu: área de la sección transversal del cable a utilizar (El manual del DAS 8000 señala que debe usarse cable de cobre de una sección transversal Mínima de 1,5

.

La l: es la longitud del cable medida desde el convertidor V-I hasta la ubicación del dispositivo DAS8000 (20m según el enunciado).

A partir de esta información la resistencia Rloop del lazo de corriente para esta aplicación será:

Este valor de Rloop cumple con la condición:

donde Vo es el voltaje de salida full escala analógico del Amplificador (etapa

V-V)

Vsat: voltaje de La fuente de alimentación(12v)

es decir, se debe cumplir la condición de NO saturación del Amp_OP.

Al sustituir:

para (@T=100ºC) nos queda :

.

A continuación se muestra el sistema ( sensor + amplificador + convertidor V-I) con la medición del mínimo valor de temperatura en el proceso (T=0ºC,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 simulación del canal de medición para T=0ºC:

A continuación se muestra la simulación del canal de medición para T=100ºC:

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 máxima del proceso de T=100ºC la medición de corriente I=26,5mA. El %Error en esta condición de operación es:

(ajustando la ganancia o span RF)

Conclusiones:

La herramienta de simulación PROTEUS (Version7.7 SP2) utilizada en los diseños realizados durante esta tarea , es de utilidad muy alta.

Todos los Amplificadores Operacionales disponibles no pueden utilizarse cuando la aplicación requiere medición de señales muy pequeñas. Debe seleccionarse las gamas de dispositivos de Precisión

Se recomienda la implementación de este canal de medición de temperatura para las actividades del Laboratorio de Procesos Químicos del IUT Dr. Federico Rivero Palacios. Es factible su implementación ya que resulta muy económica y sencilla.

Bibliografía

Arthur B. Williams: Amplificadores operacionales, Teoría y sus aplicaciones

J Michael Jacob: Industrial Control Electronics

Prof. Eugenio Cesan: Clases Mediciones Industriales