Acondicionador de señales para sensor de temperatura con termocupla tipo K/J

[pic 1]

[pic 2][pic 3]

Contenido

I.        Introducción        3

II.        Objetivo        5

III.        Desarrollo        6

IV.   Conclusiones……………………………………………………………………………………………………………………………………19

V.        Referencias bibliográficas        20

Introducción

En este informe se mostrarán algunas simulaciones y resultado de pruebas realizadas tanto en los laboratorios como en el software PROTEUS. Esta es una aplicación para realizar todas las fases de un proyecto de construcción de equipos electrónicos: diseño de esquemas electrónicos, programación de software, diseño de placa de circuito impreso, simulación de ensamblaje completo, solución de problemas, documentación y construcción.

El proceso de creación de un dispositivo electrónico basado en microprocesador sin utilizar el kit Proteus consta de cinco pasos. Los errores se descubren solo al final del proceso, cualquier problema tiene que repetirse en todo el ciclo y la depuración se convierte en una tarea abrumadora que consume tiempo y recursos con altos costos financieros. Sin embargo, con la herramienta Proteus, el proceso se define de la siguiente manera: los beneficios son obvios. Con Proteus, la fase de prueba no significa reconstruir un nuevo prototipo, lo que ahorra costos y tiempo. A medida que crecen nuestras necesidades de desarrollo y producción, los diversos módulos que componen Proteus se pueden comprar de forma independiente para agregar nuevas funciones. Además, la capacidad de emular cada familia de microprocesadores está disponible por separado. De esta manera, podemos comenzar aprendiendo algunas funciones básicas y gradualmente aprender otras nuevas, aprovechando al máximo nuestra inversión en herramientas y maximizando el costo de nuestra inversión en software. En el mundo de la formación, Proteus se considera una gran herramienta porque permite al alumno realizar cambios en circuitos y programas, experimentar y probar resultados al instante, lo que le permite aprender de forma práctica sin el riesgo de destruir material costoso.

En este caso le daremos énfasis al sensor de temperatura o termocupla, tomando en cuenta la variación de voltaje respecto a la temperatura. Para esto debemos saber que la termocupla es uno de los sensores más importantes utilizados en la medición de temperaturas en los más variados segmentos industriales. Son los sensores de temperatura simples, robustos y de bajo costo utilizados en los más variados procesos, ya que su capacidad de medición se puede aplicar a un amplio rango de temperatura.

Las termocuplas son los sensores más adecuados para medir temperaturas de unas pocas decenas negativas a miles de grados Celsius. Son los sensores de temperatura más utilizados en el mundo.

Consiste en dos metales distintos, unidos en sus extremos y conectados a un termómetro termopar u otro dispositivo capaz de termopar, forman un circuito cerrado que genera una fuerza electromotriz cuando las dos juntas (T1 y T2) se mantienen a diferentes temperaturas.

La reacción eléctrica fue descubierta por casualidad en 1821 por el físico estonio Thomas Seebeck.

Cuando se dio cuenta de que, en un circuito cerrado, formado por dos conductores distintos A y B, se produce una circulación de corriente siempre y cuando haya una diferencia de temperatura DT entre sus uniones.

Llamamos a la junta de medición Tm, y a la otra, junta de referencia Tr. La existencia de un f.e.m. AB térmico en el circuito se conoce como el efecto seebeck.

Siempre que la temperatura de la junta de referencia se mantiene constante, se verifica que la temperatura térmica f.e.m. es una función de la temperatura Tm de la junta de prueba, por lo tanto, este hecho permite utilizar un par termoeléctrico como termómetro.

Termocupla tipo J

Se puede utilizar en atmósferas reductoras, neutrales u oxidantes. Sin embargo, no se recomienda en atmósferas con alto contenido de humedad y también a bajas temperaturas, ya que el termoelemento JP puede llegar a ser frágil.

Termocupla tipo K

Destaca por ser de uso genérico. Tiene un bajo costo, y por su popularidad está disponible en las sondas más diversas. Las temperaturas cubiertas por este producto oscilan entre -200°C y 1200°C.

Para comprobar la variación de voltaje con respecto a la temperatura usaremos un voltímetro DC el cual cuenta con una serie de componentes internos que le permite traducir las señales que llegan en conjunto. A través de ecuaciones matemáticas codificadas en su circuito interno puede deducir cualquiera de los parámetros para los que fue diseñado como voltaje, resistencia.

Objetivo

El objetivo de este informe, mas que nada, es entender el funcionamiento de amplificadores operacionales como comparador, como amplificador inversor, no inversor, aplicaciones a la construcción de sensores de proximidad y aplicaciones al acondicionamiento de señales para transductores. Junto con esto entenderemos el funcionamiento de una termocupla y como leer las variaciones de voltaje dependiendo de la temperatura en la que se encuentre.

Desarrollo

     Trabajo de Investigación Investigar acerca de los siguientes conceptos.

1. Principios de funcionamiento de amplificadores operacionales.

         Si existe un elemento estrella en los sistemas electrónicos analógicos ese elemento es sin duda el amplificador operacional. Con él podremos amplificar señales, atenuarlas, filtrarlas, etc. Los sistemas de control analógico encuentran en el amplificador operacional un elemento de conmutación sumamente simple e incluso años atrás fue empleado para el diseño de computadoras analógicas (de ahí el nombre de operacionales). El conocimiento a nivel básico del amplificador operacional proporciona al diseñador una herramienta de valor incalculable. Partir del amplificador operacional sin siquiera conocer el funcionamiento del transistor podría parecer un error. Esta consideración pierde importancia si tenemos en cuenta que en la actualidad el transistor como componente discreto ha quedado relegado a usos muy puntuales, siendo su coste similar al de un amplificador operacional. Ante esta situación, la respuesta correcta es disponer en primer lugar de los conocimientos necesarios para operar 4 con amplificadores operacionales y posteriormente abordar la teoría clásica de transistor, por ser esta última más compleja.

  El amplificador operacional ideal Un amplificador operacional es un dispositivo electrónico activo siendo capaz de ofrecer una tensión de salida en función de una tensión de entrada. Vamos a considerar única y exclusivamente el amplificador operacional ideal que, aun no existiendo en la vida real, es una aproximación muy precisa y perfectamente válida para el análisis de sistemas reales.

 Un amplificador operacional presenta cinco patillas. Dos de ellas son las entradas del dispositivo; la primera de ellas llamada entrada inversora se halla indicada en los esquemas con un signo menos, la otra denominada entrada no inversora se indica mediante un signo más. Otro de las patillas del amplificador operacional corresponde a la salida del dispositivo mientras que las dos restantes corresponden a la alimentación requerida por el dispositivo (±Vcc). Una vez nos hemos familiarizado con las patillas podemos pasar a indicar las características de un amplificador operacional. Debido a que en ningún momento entraremos en el diseño interno del circuito deben ser asumidas. Recordamos una vez más que son características teóricas, si bien las reales se aproximan a las teóricas:

- Ancho de banda infinito (podemos trabajar con señales de cualquier frecuencia).

- Tiempo de conmutación nulo

- Ganancia de tensión infinita.

- Impedancia de entrada infinita.

- Impedancia de salida nula

- Corrientes de polarización nulas.

1. El amplificador operacional como comparador. Aplicaciones a la construcción de sensores de proximidad.

COMPARADOR INVERSOR, COMPARADOR NO INVERSOR

Tienen como misión comparar una tensión variable con otra, normalmente constante, denominada tensión de referencia, dándonos a la salida una tensión positiva o negativa. Se basan en hacer trabajar a saturación los A.O. dando a la salida una tensión Vcc (caso ideal). Existen dos tipos básicos de comparadores: O sea que un Amplificador Operacional puede ser utilizado para determinar cuál de dos señales en sus entradas es mayor. (se utiliza como comparador). Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para que cause que la salida del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat). Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima) La ganancia real de un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la señal de salida es: Vout = AOL (V1 – V2) Donde: - Vout = tensión de salida - AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más) - V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan) Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta saturación negativa o positiva. (Normalmente este valor es unos 2 voltios menos que el valor de la fuente ( V+ o V- ) Del gráfico se ve que el valor de la entrada en V2 es mayor que la de V1 (que se utiliza como referencia y tiene un valor fijo), hasta que en un momento t1, V2 cambia y ahora es menor que V1. Como V2 está conectado a la entrada no inversora del operacional, la salida (Vout) está en saturación positiva, hasta que llega a t1, en donde la salida ahora está en saturación negativa.

...