termocupla + conversor vc y cv
DESCRIPTION
Sensor de temperatura utilizando una termocupla y transmisión de la señal mediante un conversor de voltaje a corriente y recuperación de la misma mediante un conversor de corriente a voltajeTRANSCRIPT
-
Pgina 1
SEGUNDO PARCIAL
Ronnie Esparza Wilson Sigcha Departamento de Elctrica y Electrnica
Instrumentacin y Sensores 2167
09 de julio del 2015
INFORME PROYECTO FINAL DE INSTRUMENTACIN Y SENSORES DEL SEGUNDO PARCIAL.
1. Objetivos
1.1. Objetivo General
Implementar un circuito de medicin de temperatura de 20 a 90C con todos los
temas vistos durante el segundo parcial y presentar el resultado mediante un LCD.
1.2. Objetivos Especficos
Disear e implementar un circuito medidor de temperatura, tomando como
sensor principal a la termocupla.
Implementar un circuito que contenga mltiples etapas, las cuales incluyen: un
circuito amplificador de instrumentacin, una adecuacin lineal de la seal del
sensor principal (termocupla) con ayuda de los amplificadores operacionales y
el sensor de temperatura LM35, transmitir la seal por medio de un circuito
conversor de voltaje a corriente, revertirlo y utilizar la conversin analgica-digital
de la seal (con Arduino) para finalmente presentar la temperatura medida por
medio de un LCD.
Disear los circuitos antes mencionados con ayuda de los amplificadores
operacionales LM-741 para observar sus mltiples aplicaciones dentro de la
Electrnica y los circuitos de los sensores.
2. Materiales y Equipos
A continuacin se mencionan los materiales y equipos que se necesitan para la
implementacin de cada una de las etapas del circuito medidor de temperatura:
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 2
2.1 Materiales:
2.1.1 Sensor Principal:
Termocupla tipo J.
2.1.2 Amplificador de Instrumentacin:
Amplificador Operacional: LM-741 ( 3).
Resistencias: 330 (4), 100 ( 1).
Potencimetro de Precisin: 10 K ( 2) y se calibran en 9.61 k.
2.1.3 Sumador de Temperatura Ambiente:
Amplificador Operacional: LM-741 ( 1).
Resistencias: 10 k (3).
Sensor LM35.
2.1.4 Adecuacin de la seal de 1 a 5 voltios:
Amplificador Operacional: LM-741 ( 2).
Resistencias: 10 k (4).
Potencimetro de Precisin: 50 K ( 1) y se calibra en 47.15 k.
2.1.5 Conversor de voltaje a corriente
Amplificador Operacional: LM-741 ( 1).
Resistencias: 100 ( 1).
Potencimetro de Precisin: 1 K ( 4) y se calibran en 250 .
2.1.6 Conversor de corriente a voltaje:
Amplificador Operacional: LM-741 ( 1).
Potencimetro de Precisin: 1 K ( 1) y se calibra en 250 .
2.1.7 Conversin analgica Digital:
Arduino UNO (x1).
LCD (2X16) (x1).
Protoboard.
Cables para conexiones: Utp o de timbre.
2.2 Equipos:
Fuente de alimentacin: 12 V, 5 V, 3 V.
Multmetro.
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 3
Computador
3. Marco Terico
Como en informes anteriores se ha hablado de cada una de las etapas del circuito
medidor de temperatura, en este caso se describir de forma breve la funcin que
cumple cada uno dentro del circuito:
3.1. Sensor Principal: se trata de la termocupla (de tipo J). Este es un sensor que a la
temperatura que mide le quita la temperatura ambiente.
3.2. Amplificador de Instrumentacin: debido a que la seal de la salida de termocupla
es demasiado pequea y no es lineal, se ha tomado el rango de temperatura de 20 a
90C para tomarlo como una escala lineal. Este circuito ayuda a la amplificacin de
esta pequea seal y la pasa a una escala de aproximadamente 10 mV/C.
3.3. Sumador de Temperatura Ambiente: Como se mencion anteriormente la
termocupla a lo que mide le quita la temperatura ambiente, por lo tanto si se quiere una
medicin acertada hay que sumarle la temperatura ambiente, el mejor sensor para ello
es el LM35 el cual tiene una escala lineal de 10 mV/C, es por esto que se debi tratar
antes la seal de la termocupla.
3.4 Adecuacin de la seal de 1 a 5 voltios: Con el fin de poder efectuar una conversin
de voltaje a corriente para la transmisin de la seal de salida, debido a que la
transmisin se efecta de 4 a 20 mA, como se sabe la corriente depende del voltaje,
por lo que no se puede transformar 0 voltios a 4 mA.
3.5 Conversor de voltaje a corriente: A continuacin se desea transmitir la seal de
voltaje a una cierta distancia, para ello por norma se lo hace a una escala de 4 a 20
mA.
3.6 Conversor de corriente a voltaje: Una vez que se ha logrado transmitir la seal con
xito, se necesita convertir esa seal analgica en una digital para su tratamiento y esto
se lo hace de acuerdo a niveles de voltaje, por lo que es necesario reconvertir la seal
de corriente a la de voltaje original.
3.7 Conversin analgica Digital: La parte final del trabajo es mediante Arduino utilizar
la conversin analgica digital para mostrar la temperatura medida con ayuda de un
LCD.
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 4
4. Clculos y Diseo
4.1. Sensor Principal:
De acuerdo con la hoja de datos de la termocupla tipo J:
Es decir que el voltaje de salida para la escala de 20 a 90C ser de 0.051771275
.
4.2. Amplificador de Instrumentacin:
Como se mencion anteriormente hay que adecuar la escala de la seal de salida de
la termocupla a 10
, por lo que:
0.051771275 (x) = 10
= 193.16
Es decir hay que darle una ganancia de aproximadamente 193,16.
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 5
La ganancia del circuito amplificador de corriente est dada por la ecuacin:
= (1 + 21
)
Como se busca una ganacia de 193.16 y fijando Rg =100 .
193.6 = (1 + 21
100)
= . []
Finalmente se fijarn los valores de R2 = 330 .
4.3. Sumador de Temperatura Ambiente:
Se utilizar un sumador inversor:
Como se desea simplemente sumar la seal de la termocupla ajustada a la misma
escala del LM35, lo que se hace es que = = = . Donde 1 es el voltaje de
salida del amplificador de instrumentacin y es el voltaje de salida del LM35.
4.4 Adecuacin de la seal de 1 a 5 voltios:
Para adecuar la seal, como ya se tiene una escala lineal se efecta la ecuacin de la
forma y=mx+b:
x y
0.2 1
0.9 5
= +
=5 1
0.9 0.2=
40
7
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 6
5 = 0.940
7+
= 1
7
Por lo tanto la ecuacin para adecuar el voltaje es: =40
7 0.14
Esta ecuacin se la implementa utilizando un amplificador operacional en
configuracin amplificador inversor para m y para b se utiliza un sumador inversor.
4.5 Conversor de voltaje a corriente:
Al conectar 2 a tierra y siendo 1 = 1 se tiene el circuito de la figura y la corriente de
carga est determinada por:
=
Como y 1 son valores conocidos, lo que queda es despejar , entonces:
=
As para una corriente mnima de 4mA y un voltaje de 1 V:
=
=1
4 103= 250
Y para una corriente mxima de 20mA y un voltaje de 5 V:
=
=5
20 103= 250
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 7
Como no existe problema en los rangos de corriente (el clculo de la resistencia es la
misma), la resistencia = .
4.6 Conversor de corriente a voltaje:
Para el clculo de Vo se realiza una simple ley de Ohm, en donde V=I x R, entonces:
=
Como vara de 4 a 20mA, con su correspondiente voltaje de salida de 1 a 5 voltios,
por lo tanto se desea calcular R, por lo que la frmula queda:
=
Para = 4 :
=
= 250
Para = 20 :
=
= 250
Como no existe problema en los rangos de corriente (el clculo de la resistencia es la
misma), la resistencia = .
4.7 Conversin analgica Digital:
Para la conversin analgica digital y presentacin en el LCD se utilizar el siguiente
cdigo de Arduino:
5. Simulacin e Implementacin
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 8
5.1. Simulacin:
R3
9.61k
R4
9.61k
R5
330
R6
330
R7
330
R8330
13.00
+
-
CJ
TC1TCJ
R1100
U1(V-)VALUE=-12
U2(V-)VALUE=-12
U2(V+)VALUE=12
U3(V-)VALUE=-12
U3(V+)VALUE=12
U1(V+)VALUE=12
3
2
6
74
15
U1
LM741
3
2
6
74
15
U2
LM741
3
2
6
74
15
U3
LM741
TERMOPAR - AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN
Ganancia=193.1573 Temp_out=Temp_juntura - T_ambiente
V_out1
+88.8
mV
+88.8
mV
+88.8
Volts
+88.8
Volts
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 9
3
2
6
74 8
1
U4
OP07
27.0
3
1
VOUT2
U6
LM35
R2
10k
R9
10k
R10
10k
SUMANDO TEMPERATURA AMBIENTE CON LM35
Temp_out=Temp_juntura - T_ambiente + T_ambiente
V_OUT2
U4(V-)VALUE=-12
U4(V+)VALUE=12
+88.8
mV
U6(+VS)VALUE=5
V_out1
+88.8
mV
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 10
U7(V-)
U8(V-)
U7(V+)
U8(V+)
R13
10k
R14
10k
R15
47.15k
R16
10k
+88.8
VoltsR17
10kR17(1)
VALUE=140m
3
2
6
74
15
U7
LM741
3
2
6
74
15
U8
LM741
ECUACION DE LINEALIZACION 1 V A 5 V
Y = - (40/7) X +0.14
V_out2
+88.8
Volts
V_CORR
3
2
6
74
15
U5
LM741
U5(V-)
U5(V+)
R11
250
R12250
+88.8
mA
R18
100
R19
250
R20
250
CONVERSOR VOLTAJE A CORRIENTE
V_CORR
3
2
6
74
15
U9
LM741
U9(V+)
U9(V-)+88.8
Volts
R21
250
CONVERSOR CORRIENTE A VOLTAJE
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 11
Esquema completo:
5.2. Implementacin:
R3
9.61k
R4
9.61k
R5
330
R6
330
R7
330
R8330
13.00
+
-
CJ
TC1TCJ
R1100
U1(V-)VALUE=-12
U2(V-)VALUE=-12
U2(V+)VALUE=12
U3(V-)VALUE=-12
U3(V+)VALUE=12
U1(V+)VALUE=12
3
2
6
74
15
U1
LM741
3
2
6
74
15
U2
LM741
3
2
6
74
15
U3
LM741
3
2
6
74 8
1
U4
OP07
27.0
3
1
VOUT2
U6
LM35
R2
10k
R9
10k
R10
10k
U7(V-)
U8(V-)
U7(V+)
U8(V+)
R13
10k
R14
10k
R15
47.15k
R16
10k
+88.8
VoltsR17
10kR17(1)
VALUE=140m
3
2
6
74
15
U7
LM741
3
2
6
74
15
U8
LM741
TERMOPAR - AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN
Ganancia=193.1573
SUMANDO TEMPERATURA AMBIENTE CON LM35
PRACTICA TERMOCUPLA - LM35 - AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION
ECUACION DE LINEALIZACION 1 V A 5 V
WILSON SIGCHA - RONNIE ESPARZA
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE
INSTRUMENTACION Y SENSORES
Y = - (40/7) X +0.14
Temp_out=Temp_juntura - T_ambiente + T_ambienteTemp_out=Temp_juntura - T_ambiente
V_out1
V_out2
V_OUT2
U4(V-)VALUE=-12
U4(V+)VALUE=12
+88.8
mV
+88.8
mV
+88.8
mV
U6(+VS)VALUE=5
V_out1
+88.8
mV
+88.8
Volts
3
2
6
74
15
U5
LM741
U5(V-)
U5(V+)
R11
250
R12250
+88.8
mA
R18
100
R19
250
R20
250
CONVERSOR VOLTAJE A CORRIENTE
V_CORR
V_CORR
3
2
6
74
15
U9
LM741
U9(V+)
U9(V-)+88.8
Volts
R21
250
CONVERSOR CORRIENTE A VOLTAJE
+88.8
Volts
+88.8
Volts
-
Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial
Pgina 12
6. Conclusiones y Recomendaciones
La termocupla es un sensor que a lo que mide le quita la temperatura ambiente,
por lo tanto si se quiere una medicin real se le debe sumar otra seal que
corresponda a la temperatura ambiente, sin embargo se debe cuidar que ambas
tengan la misma escala.
Por lo anterior mencionado en muchos casos es necesario adecuar la seal, para
poder tratarla, esto se lo puede hacer mediante mltiples circuitos, los cuales
utilizan amplificadores operacionales para su implementacin.
Se debe tener mucho cuidado al tener voltajes demasiado pequeos, ya que
pueden quedar muy por debajo de los valores detectables por los circuitos
integrados utilizados en la prctica.
Para transmitir una seal de 0 a 5 voltios utilizando corriente y adecuarla de 4 a
20 miliamperios resulta imposible con 0 voltios, por lo tanto hay que adecuar
primero al voltaje de entrada a un rango de 1 a 5 voltios.
En ocasiones, cuando un sensor debe ser conectado con alambres a un circuito
que se encuentra a una distancia de varios metros, una alternativa que permite
reducir el efecto atenuador de la resistencia de los alambres es transmitir la seal
usando corriente en lugar de voltaje para lo cual se utiliza la conversin de voltaje
a corriente.
Hay que tomar en cuenta que al momento de transmitir la seal con corriente, el
lado receptor convierte de nuevo la seal a una de voltaje.
Con la conversin analgica-digital se muestrea una seal de voltaje para
asignarle ciertos valores digitales para que posteriormente puedan ser
manipulados, como por ejemplo mostrando resultados de las mediciones en un
LCD.
7. Bibliografa
Coughlin Frederick, R. F. (2000). AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS
INTEGRADOS LINEALES. Mxico: PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA.
Web-site: http://www.ece.uprm.edu/~mtoledo/5205/Docs/vi_conv.pdf
Web-site: https://en.wikibooks.org/wiki/Circuit_Idea/Op-amp_Inverting_Voltage-
to-Current_Converter