acondicionamiento termocupla tipo j

INGENIERIA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

ACONDICIONAMIENTO TERMOCUPLA TIPO “J”

I. OBJETIVO GENERALDiseño e implementación del circuito acondicionador

II. RECURSOS

1. Softwares (Proteus y Matlab) 2. Amplificadores operacionales (TL084)3. Surtido de resistencias4. Termocupla tipo “J”5. Cables, protoboard, multímetro y generador de calor

III. MARCO TEORICO

TERMOCUPLA

Las termocuplas son sensores de temperatura más común utilizada industrialmente. Una Termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (Efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Por ejemplo, una Termocupla “tipo J” está hecha con un alambre de hierro y otro de constantan (Aleacion de cobre y nickel). Al colocar la unión de estos metales a 750°C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts.

Símbolo de Termocupla

INSTRUMENTACION ELECTRONICA Página 1


TIPOS DE TERMOCUPLA

Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J ó del tipo K.

LINEALIZACION

La dependencia entre el voltaje entregado por la Termocupla y la temperatura no es lineal (no es una recta), es deber del instrumento electrónico destinado a mostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir tomar el voltaje y conociendo el tipo de Termocupla, ver en tablas internas a que temperatura corresponde este voltaje.

COMPENSACION POR CERO

El principal inconveniente de las Termocuplas es su necesidad de "compensación de cero". Esto se debe a que en algún punto, habrá que empalmar los cables de la Termocupla con un conductor normal de cobre.



En ese punto se producirán dos nuevas Termocupla con el cobre como metal para ambas, generando cada una un voltaje proporcional a la temperatura de ambiente (Ta) en el punto del empalme.

CONCLUSION: se pierde la señal de la temperatura ambiente.

Perdida de la señal

SOLUCION: Compensar o sumar dicha señal de temperatura ambiente con otro sensor.

Compensación de la señal perdida

IV. PROCEDIMIENTO

1. ADQUISICION DE LA SEÑAL

Para la adquisición de la señal, se realizara con un circuito “seguidor de emisor”, utilizando el amplificador operacional “TL081”, de tal forma que nos garantice que la señal a adquirirse no se pierda.



Circuito de adquisición de señal.

2. LECTURA DE LOS VALORES (0°C A 300°)

VALORES REFERENCIALEST (°C) VOLTAJE

MEDIO (mV)REFERENCIA

HOJA D. (mV)T (°C) VOLTAJE

MEDIO (mV)REFERENCIA

HOJA D. (mV)0 -0.6 160 06.1

10 -0.1 170 06.820 0.2 180 07.430 0.2 190 09.140 0.3 200 11.250 0.7 210 11.760 01.3 220 12.0070 01.6 230 12.180 02.1 240 12.290 02.6 250 12.2

100 03.0 260 12.25110 03.3 270 12.3120 03.8 280 12.3130 04.2 290 12.3140 04.9 300 12.5150 05.4



3. COMPENSACION POR CERO

Para el diseño, del circuito compensador está formado por el sensor de temperatura lineal LM35, que a diferencia de otros sensores, el sensor LM35, nos proporciona una relación voltaje – temperatura proporcional en la salida (10mV/°C).

VALORES TOMADOS COMO REFERENCIA, PARA EL DISEÑO DEL CIRCUITO COMPENSADOR.

Si: Vout (LM35) =10mV/°CEntonces: Vout (20°C) = 200mV … (señal de referencia)Si: temperatura ambiente (TERMOCUPLA) = 1.019mV … (hoja de datos)Asumiremos que Vout (Tc) =1mV

ANALISIS DE LAS RESISTENCIAS PARA OBTENER DICHA SEÑAL DE COMPENSACION

Dónde: Vint =200 mV Vout = 1 mV

Ecuación general: Vout = Vint∗R2(R1+R2) … Voltaje en nodo “B”

Se asume: R1 = 200 KΩ

R2= Vout∗R1Vint−Vout … Vout (LM35) =Vi = 200 mV

R2 = 1KΩPor lo tanto: Vout = 1mV



Circuito compensador por cero.

4. SUPERPOSICION DE LA SEÑAL

Como ya se tiene tanto la señal de la termocupla y la señal del compensador, en el siguiente procedimiento se desarrollara la superposición de señales /termocupla y LM35)

Circuito sumador no inversor

Por lo tanto, se tiene: V1 = señal de la Termocupla

V2 =señal del LM35



ECUACION CARACTERISTICA:

La expresión final de “V0”, se puede simplificar para el supuesto valor en paralelo de R1 y R2, sean iguales a los valores en paralelo de R3 y R4.

CONCLUSION: por lo tanto la compensación a desarrollarse, se precede a sumar las 2 señales (V1 y V2), el circuito es de una ganancia unitaria, entonces la ecuación anterior que se tiene, quedaría de la siguiente forma:

Vo=R3R1

∗(V 1 )+ R3R2

∗(V 0)

TABLA DE VALORES OBTENIDOS DEL CIRCUITO SUMADOR.


MEDIO (mV)REFERENCIA HOJA D. (mV)

T (°C) VOLTAJE MEDIO (mV)

REFERENCIA HOJA D. (mV)

0 160 11.610 1.5 170 1220 2.1 180 12.430 3 190 12.740 3.8 200 13.150 4.6 210 13.460 5.4 220 1470 7 230 14.380 7.3 240 14.990 7.9 250 15.2100 8.4 260 15.6110 9.1 270 15.9120 9.7 280 16.1130 10 290 16.6



140 10.3 300 16.7150 10.5

Tabla. 02: valores obtenidos del circuito sumador.

5. GANANCIA

En este aparato la función fundamental es, linealizar la señal, para luego acondicionarla a valores (voltaje), que sea admisible para la lectura de los dos microcontroladores, es decir (0V a 5V). para el desarrollo de la ganancia se utiliza el programa (Matlab).

Primeramente con la tabla de compensación, realizaremos la respectiva esquematización y grafica de la señal

CODIGO FUENTE MATLAB:

>> x=[0:10:300]

x =

Columns 1 through 12

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110


120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230


240 250 260 270 280 290 300



>> y=[0.5 1.5 2.1 3.1 3.8 4 5.4 7 7.4 7.9 8.9 9.1 9.7 10 10.3 10.5 11.3 11.6 12 12.4 12.7 13.4 14 14.3 14.9 15.2 15.6 15.9 16.1 16.6 16.9]/1000

y =

Columns 1 through 7

0.0005 0.0015 0.0021 0.0031 0.0038 0.0040 0.0054


0.0070 0.0074 0.0079 0.0089 0.0091 0.0097 0.0100


0.0103 0.0105 0.0113 0.0116 0.0120 0.0124 0.0127


0.0134 0.0140 0.0143 0.0149 0.0152 0.0156 0.0159


0.0161 0.0166 0.0169

>> plot(x,y,'*')



0 50 100 150 200 250 3000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

Bueno en la gráfica se puede apreciar la ecuación característica de la recta teniéndose tanto la pendiente como la interceptación.

Pendiente:

Interceptación:

Ecuación característica de la recta:

En conclusión, la forma más conveniente de tener una ganancia, que nos permita acondicionar la señal a los (5 voltios), es multiplicando la pendiente por dicha ganancia.

K =

Por lo tanto se asume:

R12 = 300 K

R11 = 1 K



Circuito de Ganancia.

6. ACONDICONAMIENTO DE LA SEÑAL (0V a 5V).


(V)T (°C) VOLTAJE

(V)0 160

10 17020 18030 19040 20050 21060 22070 23080 24090 250

100 260110 270120 280130 290140 300150

Valores acondicionados (Voltaje de Salida)

7. FILTRO.



V 0Vint

= 1(R13∗C 4∗R14∗C5 )S2+(R13∗C 4+R14∗C 5+R13∗C 5 )S+1

Filtro pasa bajos



TERMOCUPLA TIPO “J



ACONDICIONAMIENTO TERMOCUPLA TIPO “J”


acondicionamiento termocupla tipo j

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