104543881 Practica de Termocupla

UTPL Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones

Práctica de Instrumentación Industrial

Laboratorio de Instrumentación

1

INFORME DE LABORATORIO 3:

“TERMOCUPLA”

[Byron Ganazhapa]

Fecha: 25/05/2012

Loja – Ecuador




2

1. MEDICION DE TEMPERATURA: TERMOCUPLA PROBLEMA. Diseñar un circuito con Voltaje de salida lineal a la temperatura con un sensor de temperatura TTC103.

Parámetro Valor

Rango de Temperatura 10°C a 90°C

Rango de medición 25°C a 45°C

Máximo error permitido 1°C

Rango de Voltaje de Salida del circuito

de acondicionamiento

0 V a 10 V

Resolución mínima 0.01 °C

Diseñar el circuito para fuentes de alimentación disponibles por el ELVIS

2. PROCEDIMIENTO MATEMATICO Datos del problema

Rango de temperatura: 10ºC a 90ºC Temperatura de unión fría: 25ºC a 45ºC. Voltaje de salida: 0V a 10V. Acondicionamiento de la señal Para obtener el voltaje mínimo, hacemos una relación entre las temperaturas de 25ºC y 45ºC.

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

( ) Para obtener el voltaje máximo, hacemos una relación entre las temperaturas de 10ºC y 90ºC.

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

( ) Linealidad del sensor Tomamos en cuenta la Salida de 0 V a 10 V, y los voltajes mínimo y máximo, calculados anteriormente:




3

Fig. 1 Linealidad del sensor.

Los límites de la gráfica son los siguientes:

Tabla 1. Acondicionamiento de Voltajes.

Ecuación de Instrumentación

( ) ( )

)

De donde se puede comprobar, que la ganancia es, 2437.83 y el voltaje de offset es, 1.99 V, a continuación los cálculos mediante los voltajes mínimos y máximos:

( )

-2

0

2

4

6

8

10

12

-1 0 1 2 3

Vo

ltaj

e d

e S

alid

a [V

o]

Voltaje de Termocupla [mV]

Linealización




4

Calculo del Voltaje offset, implementado en Amplificador sin ganancia en modo diferencial.

( )

( )

Amplificador de Instrumentación: Hemos considerado una ganancia de 3000 veces la señal de la termocupla, para la implementación de la práctica se configurara con Amplificadores Operacionales 741, sabiendo de antemano que la ganancia máxima de cada Amplificador es de 1000 veces la señal, por lo que se considera 2 Etapas de Amplificación, detalladas a continuación:,

Para una ganancia de 20 se tiene la siguiente configuración:

Fig. 2 Primera Etapa de Amplificación de Voltaje.

( )

Tomando R2 como 10kΩ

( )

Para obtener la ganancia de 150 se tiene la siguiente configuración:

Fig. 3 Segunda Etapa de Amplificación de Voltaje.




5

(

)

Circuito restador para eliminar el voltaje de offset:

Fig. 4 Etapa de Diferenciación, para Voltaje Offset.

Reiteramos la ecuación de obtención del voltaje offset:

( )

( )

Después de obtener cada etapa se obtiene el siguiente circuito:

Fig. 5 Diseño de Termocupla, Etapas amplificadoras y Offset




6

3. SIMULACIÓN

Valores Calculados de la Termocupla Valores obtenidos por tablas, para la termocupla tipo K.

Tabla 2 F.e.m del termopar tipo K en función de la temperatura en unión de referencia a 0 °C.

Temperatura Voltaje Termocupla

Valores Adquiridos mediante simulación (VOLTAJE de entrada DAQ):

Fig. 5 Voltaje de entrada DAQ, temperatura 10°C.





7


Fig. 8 Voltaje a DAC, temperatura 40°C.





8


Fig. 11 Voltaje de entrada DAQ, temperatura 70°C





9


Datos Finales con ganancia Para éstos cálculos tomamos la tabla de Valores Calculados de la Termocupla, y los multiplicamos por la ganancia

Tabla 3 Valores de Voltajes analíticos y simulados.

Temperatura Voltaje Calculado Voltaje Simulado

10

20

30

40

50

60

70

80

90

.

Fig. 6 Respuesta de Temperaturas en función voltajes de salida.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12

Tem

pe

ratu

ra

Voltaje de entrada a la DAQ




10

ECUACIONES DE POLINOMIOS Valores calculados aplicando los siguientes polinomios de V y T: NOTA: Se deben ingresar las ecuaciones en el software LABVIEW, tanto de Voltaje como de Temperatura de la termocupla, las ecuaciones son obtenidas del datasheet de Termocuplas Tipo K. Adicional a estas ecuaciones se considera un valor de compensación de voltaje, que se lo calcula con un sensor de temperatura LM35, con la siguiente ecuación:

V = -17.6004 + 38.9212*c + 0.0185588*c^2 - 0.0000994576*c^3 + (3.18409)*(10^-7)*c^4 - (5.60728)*(10^-10)*c^5 + (5.60751)*(10^-13)*c^6 -(3.20207)*(10^-16)*c^7 + (9.71511)*(10^-20)*c^8 - (1.21047)*(10^-23)*c^9 + (118.598)*exp(-0.000118343*(-126.969+c)^2) T = 0.0250836*v + 7.86011*(10^-8)*v^2 - 2.50313*(10^-10)*v^3 + 8.31527*(10^-14)*v^4 - 1.22803*(10^-17)*v^5 + 9.80404*(10^-22)*v^6 - 4.41303*(10^-26)*v^7 + 1.05773*(10^-30)*v^8 - 1.05276*(10^-35)*v^9

4. IMPLEMENTACION REAL

Tabla 4 Tabla comparativa de temperaturas medidas y de referencia.

Temperatura en el

multímetro (DT-5808)

Voltaje de entrada a la DAQ

(interfaz NI-ELVIS)

Temperatura en el

Software LabVIEW




11




12




13

Resultados:

Tabla 5 Tabla de errores.

Temperatura Valores Calculados

Valores Medidos

Error % Error

5. LINEALIDAD Y EXACTITUD DEL SISTEMA LINEALIDAD:

∑ (∑ )(∑ )

∑ (∑ )

( ) ( )( )

( )

(∑ )(∑

) (∑ )(∑ )

∑ (∑ )

( )( ) ( )( )

( )

|

|

|

|




14

Error de linealidad

EXACTITUD:

| |

| |

6. MEDICIONES PARA UNA TEMPERATURA ESTABLE, EN EL SOFTWARE Y EN EL INSTRUMENTO DE REFERENCIA:

Tabla 6 Tabla comparativa de valores medidos y de referencia a una temperatura estable.

Temperatura en el multímetro

(DT-5808)

Temperatura en el Software

LabVIEW




15

7. INCERTIDUMBRE DEL SISTEMA IMPLEMENTADO.

∑

La varianza experimental

∑( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

En numero de mediciones es menor que 10, la incertidumbre de las mediciones se obtiene al multiplicar un factor de corrección por el valor de la varianza.

(√ )

Incertidumbre de la interfaz de lectura: Resolución mínima de 0.01 ºC

√

√




16

Incertidumbre del instrumento de referencia del rango de 28 °C es 0.28 °C para un nivel de confianza del 95%, k=2:

Incertidumbre total del sistema:

√

√

La incertidumbre expandida del sistema para un nivel de confianza del 95% (k=2),

LM35

Termocupla




17

Multímetro DT_5808

CONCLUSIONES

El voltaje que aparece en los extremos de la unión, conocido como voltaje Seebeck aumenta con la temperatura, aunque se mantiene una relación no lineal entre las dos variables.

La medición de temperatura es relativa, ya que depende de la unión de la temperatura de referencia.

Para obtener los cálculos de la termocupla nos basamos en la ley de temperaturas intermedias.

Como la termocupla es un instrumento de medición que necesita precisión para captar las diferencias de temperatura en donde esté trabajando, es necesario acondicionarlo con amplificadores operacionales configurados en modo diferencial porque el amplificador de instrumentación, aunque muy preciso, necesita componentes exactos para no alterar los verdaderos valores obtenidos.




18

El acondicionamiento de las señales de temperatura de la termocupla se debe realizar de manera analógica con amplificadores operacionales, antes de introducirla a una tarjeta de adquisición porque en la digitación de los datos, se puede perder información debido a que la temperatura presenta pequeñas variaciones con una amplitud en orden de los microvoltios.

Es importante que la reducción del offset para los valores máximos y mínimos de temperaturas se lo haga de manera analógica mediante amplificadores operacionales diferenciales porque es recomendado que los valores que ingresan a una tarjeta de adquisición sean en valores estándares de 0 a 10voltios.

104543881 Practica de Termocupla

Documents

Transcript of 104543881 Practica de Termocupla