Temperaturas de computadora

1. INTRODUCCION En el traba jo diario de un laboratorio se requiere a veces tener control sobre la temperatura de un determinado medio, como ocurre en el caso de cultivos de diferentes organismos vivos y otras tecnicas usadas en microbiologa, en el revelado de ciertas emulsiones, o tambien en la deposicion de pelculas delgadas, pues para que esta se \adhiera" al substrato es necesario mantener su temperatura dentro de un rango conveniente. En las siguientes secciones se presenta el esquema general del circuito para a continuacion pasar a describir cada una de sus partes: termopar, circuito amplicador y circuito de control de potencia. Tambien se hacen algunos breves comentarios sobre la rutina de control y la resolucion. Finalmente se presentan dos gracas cuyos datos han sido obtenidos por el sistema de control desarrollado. 2. ESQUEMA GENERAL El esquema general del termostato se presenta en la gura 1. Un termopar se encarga de tomar la temperatura del medio de traba jo(ba~no), y su se~nal analogica, tras ser amplicada, es convertida mediante el conversor analogico-digital(ADC) en un byte que es introducido en la PC a traves de su puerto paralelo[1]. Figura 1. Diagrama de bloques del controlador de temperatura. A continuacion, y dependiendo de la temperatura del ba~no, el computador manda una se~nal al controlador de potencia para encender o apagar la hornilla. Todo este ciclo es manejado mediante un sencillo programa en C, de forma que podemos especicar la temperatura a la que queremos que el ba~no se estabilice. En los siguientes apartados explicaremos con mas detalle la funcion que cumple cada una de las partes: termopar, circuito amplicador y circuito de control de potencia. 3. TERMOPARES Un termopar es un sensor de temperatura termoelectrico cuyo funcionamiento se basa en el efecto Seebeck. Este efecto consiste en la generacion de fem cuando se ponen en contacto dos conductores metalicos y sus uniones se mantienen a diferente temperatura; cuanto mayor es la diferencia de temperatura, mayor es la fem termica que se genera; su magnitud depende tambien de los materiales con los que estan fabricados ambos hilos del termopar. La American National Standard (ANSI) MC96.1 establece las designaciones para termopares, hilo de termopar, as como normas recomendadas para su fabricacion; este estandar, Temperature Measurement Thermocouples, esta apoyado y publicado por la Instrument Society of America (ISA). En la siguiente tabla[2] se muestran tipos estandares de hilos de termopar. Designacion Temp. Max.a (oC) Tb 200 Jc 370 Ed 430 Ke 870 Sf 1480 Rg 1480 Bh 1700 aPara cable No. 24 AWG (0.51 mm) b Cobre-Constantan(55% Cu, 45 % Ni). c Hierro(99.9% de pureza)-Constantan. d Chromel(90% Ni, 10% Cr)-Constantan. e Chromel-Alumel(95% Ni, 2% Al, 2% Mn, 1% Si). f Pt(90%)/Rh-Platino 38 CONTROL DE TEMPERATURA 39 g Pt(87%)/Rh-Platino h Pt(70%)/Rh-Pt(94%) Las tablas de referencia que muestran la fem generada por los termopares estandar, dentro de su rango de temperaturas aplicable, han sido publicadas por el National Bureau of Standards y actualizadas tras la revision del International Practical Temperature Scale IPTS-68. En este traba jo se ha usado un termopar tipo K. Como todas las tablas para termopares, las fems corresponden al caso en el que una de las uniones(referencia) esta a 0oC. Si la temperatura de referencia es otra distinta habra que sumar el volta je correspondiente que aparece en la tabla al medido en el termopar, y este volta je total correspondera, segun la tabla, a la temperatura real de la union con la que estemos traba jando. 4. CIRCUITO AMPLIFICADOR Debido al peque~no volta je y gran sensibilidad de la se~nal que entrega el termopar es necesario amplicar esta antes de introducirla al ADC. A modo de ejemplo se tiene, para un termopar de tipo K y cuando la union de referencia estaa0oC y la union de traba jo a 25oC, una fem de 1.000 mv (un milivoltio), volta je que va aumentando a razon de tan solo 40v=oC. El amplicador que se ha usado es el LM725[3], este es un operacional de ba jo ruido (corriente de entrada de o
set 2 nA, volta je de entrada de oset 0.5 mV sin a juste externo), y ba ja deriva con latemperatura (deriva del volta je de entrada 0:6 V =oC). Como dice su ho ja de caractersticas esta especialmente dise~nado para aplicaciones instrumentales donde se manejen ba jos niveles de volta je y peque~nas corrientes. En la gura 2 se muestra como se ha polarizado el amplicador operacional, la ganancia es de un factor 100 (100K/1K) y su salida es no inversora. Debido a que las resistencias no son exactas, y a que tienen deriva respecto de la temperatura, este factor puede variar ligeramente. + - 100K 1K 150 470 470 1nF 1 nF Termopar + 12v - 12v Pin 3 ADC LM725 LM725 - + Figura 2. Amplicador no inversor 100x. 5. CIRCUITO DE CONTROL DE POTENCIA Por ultimo  necesitamos \decirle" a la hornilla que se apague o encienda segun algun criterio que veamos conveniente. Para esto usaremos basicamente un Triac, que funciona como un interruptor, solo que su encendidoapagado, en lugar de hacerse de forma mecanica, se hace mediante corriente. Su caracterstica principal es que puede manejar una gran corriente, pero siendo esta controlada por una peque~na corriente(' 10 mA). El Triac utilizado en el circuito es el BT137[4] que puede conducir hasta 8 A con una diferencia de potencial de 600 V. Para dispararlo, y con la nalidad de proteger el puerto de la computadora de un posible cortocircuito en el Triac, se ha optado por aislar opticamente a ambos; para ello se ha elegido el MOC3041[5], que consiste en un diodo infrarro jo acoplado a un detector de silicio que dispara a su vez un triac interno justo cuando la se~nal de alterna pasa por cero. En la gura 3 se muestra el circuito para el control de potencia. El inversor 7404 se ha usado para hacer mas legible el programa de software, ya que el pin 1 del puerto paralelo tiene salida inversora. 330 BT 137 Calefactor 330 330 Pin 1 Puerto Paralelo 220 v T2 G T1 MOC 3041 Figura 3. Circuito de control de potencia 6. RESOLUCION Veamos ahora como se va \transmitiendo" la se~nal y con que resolucion llega al computador. Supongamos que la union de referencia estaa0oC y la otra union se encuentra a 25oC, pues bien, sgun la tabla tendremos a la salida del termopar 1.000 mV, y por lo tanto, a la salida del amplicador tendremos, si somos lo sucientemente cuidadosos, 0.1 v. El ADC esta alimentado en su pin 9 por un volta je de referencia, suministrado por un LM10, de 200 mV, por lo que la resolucion del ADC es de 400/256 mV, es decir, 1.56 mV. Volvamos entonces hacia atras haciendonos la siguiente pregunta, >si en el computador tenemos 0.1 v, cual es la temperatura del ba~no? Esos 0.1 v representan, antes del ADC, cualquier volta je comprendido en 100  0:78 mV; suponiendo como antes que el factor de amplicacion del operacional es 100 tendremos que el volta je correspondiente en el termopar es de 1 mV  7.8 V . Por lo tanto el error que introduce el ADC es de 0.2oC (el factor de scala del termopar es de 40 V =oC). Todo el error puede venir 40 CUBERO O. entonces del amplicador operacional, pero esto siempre se puede solucionar midiendo directamente el factor de .amplicacion, siempre que este no cambie en el lapso de tiempo en que necesitemos estabilizar la temperatura de nuestro ba~no de trabajo

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