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

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).

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:

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