Acondicionador de señales para sensor de temperatura con termocupla tipo K. Circuitos para el acondicionamiento y procesamiento de señales análogas y digitales. Asignatura: Electrónica aplicada a la automatización Sección: IRA-N2-P1-C1 Nombre del docente: Mario Diaz Navarro. Nombre de los integrantes del grupo: Gustavo Vielma Emilio Inostroza David Vera Felipe Arriagada Fecha de entrega 25-10-2022 Contenido I. Introducción ...........................................................................................................................................3 II. Investigación ...........................................................................................................................................6 III. Desarrollo ...............................................................................................................................................9 IV. Conclusiones .........................................................................................................................................11 Electrónica Aplicada a la Automatización 2 I. Introducción ¿Qué es la Termocupla? La termocupla es una herramienta de medición de temperatura muy útil y de amplio despliegue que normalmente se utiliza en una extensa gama de entornos científicos, industriales y de ingeniería. Su pequeño tamaño y respuesta rápida indican que son herramientas que trabajarán eficientemente en entornos peligrosos o difíciles, estos tienen la capacidad de medir de manera precisa y rápida temperaturas extremas (en cualquier lugar dentro del rango de 270°C a 2,500°C, dependiendo de su configuración específica). Además de esta capacidad espectacular, son herramientas fáciles de utilizar en comparación con otras, asimismo son extremadamente fuertes y muy eficientes. Los diferentes tipos de termopares o termocuplas, típicamente denominados con letras como J, K, L, N o T, cada uno tiene extremos totalmente diferentes, los cuales son características claves: algunos están diseñados con materiales específicos para resistir temperaturas altas y entornos más extremos, mientras que hay otros que son menos resistentes, más económicos en su fabricación los cuales son utilizados en entornos menos extremos. ¿Cómo funciona una termocupla? Una termocupla funciona, como era de esperar, bajo la premisa de la termoeléctrica: Una vez que la temperatura cambia en la unión cálida en relación con la unión fría, crea un cambio en el voltaje a través de un circuito que consiste en cables metálicos diferentes. Existe una zona de distinción de niveles de calor en las uniones o cruces dobles del circuito: la corriente está formada por fuerzas electromotrices generadas por el diferencial de temperatura entre cada unión, y una unión de termopar utiliza un medidor de potencial conectado para medir esa corriente. Siempre que esté la temperatura de inicio estable en la ubicación fría, la unión del termopar utilizará estas lecturas de voltaje para calcular una cierta lectura de temperatura en la unión cálida. También vale la pena señalar que, si la temperatura en cada una de las uniones es la misma, las fuerzas electromotrices generadas en cada unión pueden cancelarse principalmente entre sí, y, por lo tanto, el resultado es que la corriente neta que fluye a través de la unión se registra como cero. Electrónica Aplicada a la Automatización 3 Para identificar una termocupla tipo J y una K Una termocupla tipo J está hecha con un alambre de hierro y otro de Constantán. El alambre de hierro se puede reconocer con un imán, además el hierro es gris opaco, aunque algunas veces estos alambres se recubren con una delgada capa de cobre para evitar oxidación. El Constantán (cobre-nickel) es también magnético pero muy levemente, se reconoce mejor porque es plateado brillante. Las termocuplas K están hechas con cromel (cromo - aluminio) y alumel (aluminio -nickel) ambos de color plateado brillante pero el alumel es levemente magnético por su contenido de nickel. La 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. Y la 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. ¿Cuál es la diferencia entre termopares tipo J y tipo K? Se puede distinguir fácilmente con un imán. El electrodo negativo del termopar tipo K puede absorber y el electrodo positivo del termopar tipo J puede absorber 1. La forma más fácil de distinguir es encontrar un imán. El polo positivo del termopar tipo K es verde y no magnético, el polo negativo es negro y gris y el polo positivo del termopar tipo J es magnético. Los materiales de medición utilizados son diferentes y el rango de temperatura es diferente. En el uso real, no hay diferencia siempre que el rango de temperatura sea apropiado. 2.Tabla de indexación tipo K y tipo J muy simple, y luego colóquela en agua hirviendo a 100 grados Celsius, pruebe su potencial de bajo voltaje, registre los datos, compare la tabla de indexación, los datos de prueba están cerca de la tabla de indexación, indicando que está dividido El modelo del medidor de grado no es realmente bueno. Compre un termómetro con un número de índice K y pruebe los 2 sensores por separado para obtener el resultado. 3. El tipo K es níquel-cromo-níquel-silicio, según el diámetro del cable de acoplamiento, la temperatura de funcionamiento es de 200 a 1300 grados, y el tipo J es Constantán de hierro, según el diámetro del cable de acoplamiento, la temperatura de funcionamiento es de -200 a 750 grados. Electrónica Aplicada a la Automatización 4 Efecto Seebeck 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. Electrónica Aplicada a la Automatización 5 II. Investigación Principio de funcionamiento de amplificadores operacionales. La amplificación es el ajuste de la magnitud de la señal que proporciona para que así pueda ser utilizada por otros dispositivos. Estos dispositivos son compactos, son activo y lineales de alta ganancia. La configuración del amplificador operacional en lazo abierto, es una de las más usadas. En esta configuración partimos de que la ganancia esta ajustada a un valor muy alto (aproximadamente 200,000 veces). Esta ganancia el lazo abierto se le conoce como AOL y está en función a la diferencia de las entradas del Op-Amp. Las entradas, se les conoce como inversora y no inversora, o más y menos. En este caso vamos a nombrar la no inversora como E1 (+) y la inversora como E2 (-). El amplificador operacional como comparador. Se llama comparador a un amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación entre su salida y su entrada) y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia. Podemos utilizar un amplificador operacional para determinar cuál de las dos señales de entrada es mayor. Con que una de las dos señales sea ligeramente superior para que se produzca la salida máxima en el amplificador, sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat). Al utilizar el amplificador operacional en lazo abierto, la ganancia en la salida será siempre muy grande, aproximadamente del orden de 100.000 veces o más, una pequeña variación en las tensiones de entrada Vs+ y Vs- produce que a la salida del amplificador tengamos un valor cercano a la tensión de alimentación. Amplificador operacional como amplificador inversor, no inversor y amplificador de instrumentación AMPLIFICADOR INVERSOR. En este circuito, la entrada V (+) está conectada a masa y la señal se aplica a la entrada V (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2. La entrada V (-) es un punto de tierra virtual, ya que está a un potencial cero. El circuito comúnmente más utilizado es el circuito de ganancia constante. El amplificador inversor amplifica e invierte una señal 180º, es decir, el valor de la tensión de salida está en oposición de fase con la de entrada y su valor se obtiene al multiplicar la tensión de la entrada por una ganancia fija constante, establecida por la relación entre R2 y R1, resultando invertida esta señal (desfase). Electrónica Aplicada a la Automatización 6 AMPLIFICADOR NO INVERSOR. Este es el caso en que la tensión de entrada Ve, está en fase con la de salida Vs, esta tensión de salida, genera una corriente a través de R2 hacia el terminal inversor, a su vez a través de R1, se genera una corriente hacia el mismo terminal, pero de signo contrario, por lo que ambas corrientes se anulan, reflejando en la salida la tensión de entrada amplificada. Según se ha mencionado antes, el valor de +Ve se refleja en la entrada inversora -Ve del amplificador operacional y teniendo en cuenta que se considera un «cortocircuito virtual», podemos establecer que ie = Ve/R1. Y como la corriente en la entrada inversora i– = 0; i1 = i2; por lo tanto Vo = (R1 + R2) i1, sustituyendo; Vo/ Ve = (1 + R2/R1); y finalmente la ganancia en tensión: AMPLIFICADOR DIFERENCIAL. El caso más común de configuración es permitir la entrada de señal, por ambas puertas, tanto por la inversora como por la no – inversora. La señal de salida será proporcional a la diferencia entre las entradas y estará en fase con las señales aplicadas. Aunque está basado en las dos disposiciones vistas anteriormente. El amplificador diferencial tiene características únicas. En la figura, se muestra un dispositivo activo lineal con dos entradas V1 y V2 y una salida Vo, respecto a la tensión media de alimentación o masa. En el amplificador diferencial ideal, la tensión Vo viene expresada por: Vo = Ad (V1 – V2) Donde Ad es la ganancia. La señal de salida no se ve afectada por cualquier señal común en ambas entradas. En un amplificador real, debido a que la salida no solo depende de la diferencial Vd de las entradas sino además del nivel medio Vc, así: Vo = V1 – V2 Vc = 1/2 (V1 + V2). Para comprender mejor esta disposición, primero se estudian las dos señales de entrada por separado, y después combinadas. Como siempre la tensión diferencial Vd = 0 y la corriente de entrada en los terminales es cero. Recordar que Vd = V (+) – V (-) ==> V (-) = V (+) La tensión a la salida debida a V1 la llamaremos V01 La tensión de salida debida a V1 (suponiendo V2 = 0) valdrá: Electrónica Aplicada a la Automatización 7 Suponiendo que V1 = 0, la salida V2, utilizando la ecuación de la ganancia para el circuito inversor será: Que, aplicando el teorema de la superposición de la tensión de salida V0 = V01 + V02 y haciendo R3 = R1 y R4 = R2 tendremos que: En conclusión: y la ganancia de la etapa para señales en modo diferencial es: Esta configuración es única porque rechaza una señal común a ambas entradas. Esto se conoce como la propiedad de, tensión de entrada diferencial nula, es decir, en el caso de que las señales V1 y V2 sean idénticas, el análisis es sencillo, V1 se dividirá entre R1 y R2, apareciendo una menor tensión V(+) en R2. Debido a la ganancia infinita del amplificador y a la tensión de entrada diferencial cero, una tensión igual V (-) debe aparecer en el nudo suma (-). Puesto que la red de resistencias R3 y R4 es igual a la red R1 y R2, y se aplica la misma tensión a ambos terminales de entrada, se concluye que Vo debe estar a potencial nulo para que V (-) se mantenga igual a V(+); Vo estará al mismo potencial que R2, el cual, de hecho está a masa. Esta muy útil propiedad del amplificador diferencial, puede utilizarse para discriminar componentes de ruido en modo común no deseables, mientras que se amplifican las señales que aparecen de forma diferencial. Si se cumple la relación. Puesto que, por definición, el amplificador no tiene ganancia cuando se aplican señales iguales en ambas entradas, la ganancia para señales en modo común es cero. Las impedancias de las dos entradas de etapa son distintas. Para la entrada no inversora (+), la impedancia de entrada es R1 + R2. La impedancia para la entrada inversora (-) es R3. La impedancia de entrada diferencial (para una fuente flotante) es la impedancia entre las entradas, es decir, R1+R3. Aplicaciones al acondicionamiento de señales para transductores. Consisten en una serie de etapas que permiten que una señal de salida de un transductor pueda ser modificada y adaptada para que otros dispositivos puedan hacer uso de la información que se obtiene desde el sensor. III. Desarrollo en Proteus Electrónica Aplicada a la Automatización 8 Termocupla tipo J Electrónica Aplicada a la Automatización 9 Termocupla tipo K Electrónica Aplicada a la Automatización 10 Conclusiones Las termocuplas son sensores de temperatura con una amplia resistencia y eficiencia, existen distintos tipos y aquí vimos solo dos de ellos, tipo J y tipo K los cuales se pueden diferenciar a simple vista ya que sus propiedades son distintas al igual que su funcionamiento, si bien ambos son medidores de temperatura su función puede ser diferente dependiendo de otros factores los cuales mencionamos anteriormente en este informe Con esto conocimos y comprendimos los termocuplas tipo J & K, así como su acondicionamiento se señales, que son una serie de etapas; Amplificación es el ajuste de la señal que proporciona para poder ser usados por otros dispositivos. Filtrado se encarga de filtrar las señales débiles, esto lo que hace es limpiar el ruido; Linealización, esto linealiza la magnitud física y la salida; Digitalización corresponde la señal analógica en digital. Los termocuplas tipo K tienen un funcionamiento desde los -200ºC a un valor ascendiente con tope de 1250ºC, cuenta con un terminal positivo (+) y un terminal negativo (-) Y las termocuplas tipo J, a diferencia del tipo K este tiene un funcionamiento 200ºC con un valor ascendente de hasta 1300ºC. Consisten en una serie de etapas que permiten que una señal de salida de un transductor pueda ser modificada y adaptada para que otros dispositivos puedan hacer uso de la información que se obtiene desde el sensor, al aplicar calor en la unión de los conductores se genera un muy pequeño voltaje. El cual nos permite medir la temperatura Electrónica Aplicada a la Automatización 11
