DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE TRANSMISORES DE TEMPERATURA, HUMEDAD Y PRESIÓN

Martha Paola Jaimes V, Ana María López A.Universidad de Antioquia

Facultad de IngenieríaDepartamento de Electrónica

RESUMEN

En el desarrollo de equipos industriales se utilizan transductores y sensores para obtener señales primarias con el objetivo de convertirlas en corrientes estándar, voltajes analógicos y salidas digitales para el procesamiento y tratamiento con ayuda de la electrónica análoga y digital.El trabajo trata los aspectos relacionados con la modelación y calibración de transmisores de presión, humedad y temperatura utilizados en diferentes procesos industriales.

Palabras claves: transmisores de presión, humedad y temperatura

1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad el desarrollo tecnológico brinda la oportunidad de encontrar diferentes soluciones a diversos problemas en el ámbito industrial. Uno de los más importantes es el censado de variables físicas, proceso en el que se han venido presentando grandes mejoras, gracias a la aparición de sensores con características superiores.

No se puede hablar de los sensores, como componentes electrónicos básicos, sin ver como se pueden adaptar a un sistema de adquisición y control. Por lo que se

tendrán que ver las nuevas tecnologías de adaptación de estos sensores que como parte de una cadena de dispositivos, forman un sistema.Estos adaptadores, como acondicionadores de señal, son los amplificadores industriales en sus diferentes estructuras de montaje, pasando por filtros o por procesadores analógicos, convirtiendo estas señales de analógico a digital para posteriormente ser procesados los datos con un Microcontrolador y actuando por medio de las salidas lógicas del procesador o por medio de un convertidor digital a analógico.

Fig. 1 Diagrama de bloques simplificado de la arquitectura de un

transmisor de 4 a 20Ma

2. REQUERIMIENTO PARA LOS TRANSMISORES

2.1SENSORES

2.1.1 SENSOR DE PRESIÓNSensor diferencial de presión, Se aplican dos presiones y la posición del diafragma sensor será una función de la presión diferencial, un cambio en la presión P1 producirá un cambio en la presión P2. El sensor utilizado es el modelo PX170, que

maneja un rango de 0 a 28 in H2O (Pulgadas de agua) y con una alimentación de 10 Vdc.

2.1.2 SENSOR DE HUMEDADEl principio del sensor es capacitivo lo forma un condensador de dos láminas de oro como placas y como dieléctrico una lámina no conductora que varia su constante dieléctrica, en función de la humedad relativa de la atmósfera ambiente. El valor de la capacidad se mide como humedad relativa. Este tipo de sensor es especialmente apropiado para ambiente de alta temperatura porque el coeficiente de temperatura es bajo y el polímero dieléctrico puede soportar altas temperaturas. Los sensores capacitivos son también apropiados para aplicaciones que requieran un alto grado de sensibilidad a niveles bajos de humedad, donde proveen una respuesta relativamente rápida. El sensor utilizado es el HS8001, la alimentación es de 5 Vdc y su rango de salida esta entre 0-1 V.

2.1.3 SENSOR DE TEMPERATURA

Es un sensor infrarrojo de temperatura modelo 403265 de alta precisión, su condición de operación está entre -40ºC a 140ºC y humedad relativa menor del 70%, precisión +2% de la lectura o +6ºC, consumo en espera de 5mA, pero es calibrado de tal manera para que trabaje en un rango entre -20ºC a 120ºC, trabaja normalmente con una excitación de 6Vdc, no esta diseñado a prueba de agua o polvo, el vapor el polvo, el humo puede afectar la precisión en la medición.

2.2AMPLIFICADOR

Amplificador de instrumentación tiene como objetivo filtrar la señal de todo el ruido modo común que se le puede introducir al circuito y adecuar la señal necesaria para la entrada al conversor, por esta razón se elige el AD620 como el amplificador, tiene las siguientes características, maneja una ganancia que esta entre 1y 10000; se alimenta con un voltaje entre 2.3V y 18V; tiene un offset de entrada de 50 µV max, offser drift de 0.6 µV/°C max.

2.3CONVERSORCon el transcurrir de los años la transmisión 4-20mA, ha sido aceptada como una técnica ESTÁNDAR DE TRANSMISIÓN de información entre el punto del sensado y el área de control, esto como un medio análogo ya que emplea la variable corriente análoga para tal fin. Inicialmente los datos son extraídos del proceso mediante un examen analítico e interpretación. Luego de generarse una apropiada interpretación el siguiente paso es el tomar una decisión sobre la acción apropiada. Finalmente la acción necesaria podrá ser implementada.El integrado elegido es el XTR110 posee las siguientes características rangos de entrada de 0-5V, 0-10V; rangos de salida que están entre 0-20mA, 5-25mA y 4-20mA; la no linealidad máxima es de 0.005%; la alimentación está entre 13.5-40V. 2.4MICROCONTROLADOREl microcontrolador utilizado es el 68HC908QY4 de Motorola, económico, de alto rendimiento. Pertenece a la familia de los microcontroladores de 8-bits (MCUs). La Familia de M68HC08

maneja instrucciones (CISC) con arquitectura Von Neumann. Este microcontrolador tiene la tarea permitir la correcta visualización en el LCD (pantalla de cristal líquido) después de procesar los datos que le entrega la etapa de transmisión.

3 METODOLOGÍA

3.1SISTEMA DE MEDICIÓNLa medición es un conjunto de actos experimentales que tienen por objeto determinar una cantidad de magnitud física con ayuda de medios técnicos apropiados, en una instalación preparada para tales efectos.Existen factores determinantes en la toma de mediciones, donde la repetibilidad de las mismas en condiciones iguales significa que:

Se tenga un mismo observador.

Se Dispone de dispositivos y medios de medición verificables y confiables.

Se utilice un mismo método para todas las mediciones y en igual ambiente.

Se modele y ajuste con los mismos paquetes de procesamiento.

Debe tenerse en cuenta que mientras más mediciones se realicen en toda la gama experimental menor será el error del modelo que se desea obtener.

3.2MÉTODO DE CALIBRACIÓNMetodología sugerida para realizar la calibración y modelación que se relaciona a continuación:1- Definir la maqueta o modelo en donde se van a realizar las mediciones, que sea lo mas semejante posible a la instalación real a utilizar (conexiones, alimentación, etc.)

2- Realizar mediciones repetitivas de comprobación de datos técnicos del fabricante del dispositivo. Con este paso se verifica además el sistema de medición empleado.3- Hallar los valores y el error probables. Estimar el valor verdadero por medio de un intervalo de confianza.4- Obtener tablas de valores repetitivos en la gama total de trabajo del dispositivo y graficar los resultados.

4 VERIFICACIÓN DE LOS DATOS, CURVAS EXPERIMENTALES

4.1DATOS DEL TRANSMISOR DE PRESIÓN

Sensor de presión: El rango de operación y pruebas del sensor está entre 0-28 pulgadas de agua. La ecuación de trabajo para la presión: I = 4/7*Presión +4 (las unidades en miliamperios).

Fig.2 Datos de presión

4.2DATOS DEL TRANSMISOR DE HUMEDAD

Sensor de Humedad: El rango de operación y pruebas del sensor está entre 0-100% de Humedad, claro esta que la humedad en Medellín es muy estable y su rango varia en el orden del 50% a 70%.La ecuación de trabajo es I = 10*(HR)+4, las unidades para esta ecuación es en miliamperios.

Fig.3 Datos de humedad

4.3DATOS DEL TRANSMISOR DE TEMPERATURA

Sensor de temperatura: Fue calibrado entre -20ºC y 120ºC, se tomaron estos datos debido a que fue imposible generar un ambiente de prueba con una temperatura inferior a los -5ºC y superior a los 65ºC.La ecuación de trabajo es: I = 0.114*(T)+6.32, las unidades para esta ecuación es en miliamperios.

Fig. 4 Datos temperatura

5 RESULTADOS Se aplicó la metodología en el desarrollo del trabajo, obteniéndose gráficas, resultados y ecuaciones que se ejemplifican en la calibración y modelación de los transmisores. Al finalizar el proyecto se diseñaron tres dispositivos el primero es un transmisor de temperatura la cual tiene un rango de -20ºC y 120ºC me entrega una corriente de salida entre 4-20mA con un span variable; el segundo es un transmisor de humedad con un rango de medición de 0% a 100% de humedad relativa; y el tercero es un transmisor de presión con un rango de medición de 0 a 28 pulgadas de agua; igualmente se diseño una fuente necesaria para la alimentación de los componentes de los transmisores con diferentes voltajes de 24V, +12V, 5V.

6 FUENTES DE ERRORDurante el desarrollo del proyecto se presentan múltiples inconvenientes debidos a las interferencias EMI producidas por la industria. En un principio se buscó la utilización de un PIC pero debido a éstas se requirió utilizar el

microcontrolador 68HC908Qy4 que permitió trabajar bajo las condiciones dadas.El no aislar de una manera correcta tierras análogas y digitales se presentaron problemas de ruido en la señal de salida, problema que se solucionó con un correcto acondicionamiento de las señales.

7 CONCLUSIONES Los sensores constituyen el principal medio de enlace entre los procesos industriales y los circuitos electrónicos encargados de controlarlos o monitorearlos, los sensores ofrecen la posibilidad de la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de control en tipos de procesos industriales.

Si un transmisor tiene señales de entrada referenciadas al campo de tierras, tendremos la existencia de potenciales de loops de tierra, este tipo de potencial causará degradación de la señal.

El aislamiento es un aspecto extremadamente importante para la transmisión de la señal, así: Loops de señal, fuente de potencia y tierras, deberán siempre estar completamente aisladas unos de otros.

Los sensores capacitivos de humedad reaccionan rápidamente a los cambios de humedad y se pueden usar en sectores de temperatura de -40 bis +180 °C. La exactitud de medición esta entre ±2 und ±5 % de humedad relativa.

Los sistemas de medición de temperatura requieren sensitividad, velocidad de respuesta y robustez de los mismos.

Las interferencias EMI se pueden controlar y filtrar en sistemas con arquitectura de distribución de potencia, la clave es seguir unas pocas reglas básicas de filtrado y disposición de elementos.

8. REFERENCIAS

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