Prácticas Instrumentación Electrónica Curso 2009-10 Práctica 3

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PRÁCTICAS INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA

GUÍA DEL ESTUDIANTE – TRABAJO NO PRESENCIAL

PRÁCTICA 3

AMPLIFICACIÓN. MEDIDA DE TEMPERATURA

CON TERMOPAR. DATOS ACTIVIDAD NO PRESENCIAL ENTREGABLES 1. Guión previo de la Práctica 2

2. Tabla de tiempos reales destinados a las tareas FECHA DE ENTREGA El mismo día de la realización presencial de la misma

MÉTODO DE ENTREGA Presencial para el entregable 1 Telemático (tabla de tiempos)

TIEMPO ESTIMADO 1h y 40 min

OBJETIVOS Al acabar este trabajo no presencial el alumno debería ser capaz de:

• Entender las ventajas de los amplificadores de instrumentación frente al diferencial. Valorar las prestaciones de los mismos.

• Entender el funcionamiento y utilización de los termopares como sensor de temperatura.

MATERIALES

• Hojas de características de OP07 y del INA141 • Tabla de tensiones de termopar tipo K • Libro: M.A. Pérez et al. INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. Ed. ITES-

Paraninfo. Cápitulo 13. CONOCIMIENTOS PREVIOS

Con anterioridad al desarrollo de esta práctica el estudiante conocerá ya los temas de: • Amplificadores diferenciales • Amplificadores de instrumentación

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1. ESTUDIO TEÓRICO TERMOPARES

1.1 Lee el capítulo 13 del libro de ITES-Paraninfo (ver bibliografía completa

en la lista de materiales), adjunto a las copias en papel de Reprografía y disponible online en el servidor Rita, carpeta Datos/Te/Pimolina/Instrumentación Electronica/Practicas (no puede ser público por que tiene ©). El test al principio de la práctica versará sobre este punto. Prepara un esquema (muy reducido) del tema estudiado para enviar en el previo de la práctica (Parte 3. Entregable).

Como siempre anota los tiempos que verdaderamente te cuesta realizar este apartado:

TIEMPOS ESTIMADOS Y REALES ESTIMADO REAL

Apartado 1.1 60min

2. PREPARACIÓN PRÁCTICA 3

Se va a emplear un termopar tipo K, compuesto por dos hilos de cromel y alumel (aleaciones de niquel dopado con alumnio y niquel dopado con cromo, respectivamente). El termopar K fue estandarizado en 1916, registrándose en una tabla la tensión que debe generar para las diferentes temperaturas. Su margen de medida va de -40 a +1200ºC con una exactitud de ±2.5ºC (de −200 a +1300ºC, perdiendo linealidad). La sonda termopar K de bajo coste (unos 5€) que vamos a utilizar consta de dos hilos de 1m de longitud y 0.2mm de diámetro y permite medir temperaturas en el margen -50 a +200 ºC (picos de hasta 250ºC).

Tamb

T

ΔV(T,Tamb)

Figura 1. Esquema de termopar tipo K y sonda real.

Las tablas estándar indican la tensión que un tipo de termopar genera para cada temperatura en relación a una segunda unión de referencia a 0ºC

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(unión fría). Si, como ocurre a menudo, se tiene una sonda termopar con una única unión (Fig. 5), para poder trabajar con cualquier temperatura de referencia (en nuestro caso Tambiente), dedujimos en clase la fórmula que realiza la denominada compensación de la unión fría:

(tabla)Vrmopar)(medida teV = (tabla)V escribirse puede que )º0,(),()º0,(

0 TambTamb T 0 T +Δ+Δ=Δ CTVTTVCTV ambamb (ec. 1)

La ecuación anterior permite medir temperaturas haciendo uso de las tablas estándar, como puede verse en el ejemplo del Apéndice. No obstante, vamos a emplear en esta práctica una alternativa. Según las tablas estándar, un termopar K proporciona 0 mV a 0ºC y 10.151 mV a 250ºC, con lo que se tiene una sensibilidad S≅40 μV/ºC (con una linealidad aceptable en este rango). La tensión que genera es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones:

) .(10.40).(),( 6ambambamb TTTTSTTV −=−≅Δ − (ec. 2)

la temperatura ambiente Tamb se mide, por ejemplo, con un termómetro de mercurio; midiendo el ΔV generado por el termopar, se calcula T. Amplificando por ejemplo con un amplificador de instrumentación Gd, se tiene una sensibilidad de SmV/ºC:

amb amb amb

amb amb

Vo Gd V T T Gd T T S T TVo mV T T T Vo mV T (Vo es la salida del AI, en mV)

6( , ) 40.10 .( ) ( )( ) ( )

−= ×Δ = × − = × −= − ⇒ = +

(ec. 3)

Lee atentamente el guión de la práctica y busca y descárgate de Internet las

hojas de características de todos los componentes importantes (OP07, INA114). Como siempre, prepara una lista de los componentes y materiales que vas a necesitar (parte del guión previo)

Calcula para el circuito que nos interesa, la ganancia que hay que tener para que la sensibilidad final sea de 1mV/ºC y según las hojas de características la resistencia Rg necesaria.

Anota, siempre que sea posible los datos teóricos que te piden en algunos puntos de la hoja de resultados de la práctica.

Prepara el dibujo que te piden en el apartado 4.7 del guión presencial.

Anota los tiempos que verdaderamente te cuesta realizar este apartado:

TIEMPOS ESTIMADOS Y REALES ESTIMADO REAL

Apartado 2.1 15min

Apartado 2.2 5min

Apartado 2.3 5min

Apartado 2.4 5min

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3. ENTREGABLE

3.1 Con todos los resultados de los apartados anteriores acaba de redactar el guión previo a la práctica 3. Ten en cuenta lo siguiente:

3.1.1 El guión previo debe ser muy breve. Debe incluir el esquema del tema 13 del libro de paraninfo, los cálculos del apartado 2.2 y la lista de materiales y componentes a utilizar durante la práctica.

Este guión previo se entregará el mismo día de la práctica directamente al profesor/a. 3.2 Entrega telemática de la tabla de tiempos:

Redacta, o simplemente haz copy-paste de las tablas de tiempos de este documento y rellena los tiempos reales que te ha costado hacerlos. Manda el documento por mail a pimolina@unizar.es a ser posible ANTES de tu sesión de prácticas presenciales. Añade en el mail comentarios si lo crees oportuno (no es necesario). IMPORTANTE: Acuérdate de poner tu nombre en alguna parte. Para facilitar el trabajo a la profesora, pon en el asunto del mail: P3_Apellido1_Apellido2_Nombre

TIEMPOS ESTIMADOS Y REALES ESTIMADO REAL

Apartado 4 10min

APÉNDICE – Empleo tablas termopares

Vamos a mostrar el empleo de las tablas estándar de los termopares por medio de un ejemplo. Recordemos la fórmula de la compensación de la unión fría:

(tabla)Vrmopar)(medida teV = (tabla)V escribirse puede que )º0,(),()º0,(

0 TambTamb T 0 T +Δ+Δ=Δ CTVTTVCTV ambamb (ec. 1)

Ejemplo. Un termopar K como el de la Fig.1 proporciona una tensión de

1.643mV. Si la temperatura ambiente medida con un termómetro de mercurio es de 25ºC, ¿a qué temperatura T está sometida la unión sensora?

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Solución. Según el enunciado ΔV(T,Tamb)=1.643mV, y de la tabla estándar se tiene ΔV(Tamb,0ºC)=1mV (Tamb=25ºC). Por lo tanto, aplicando la ec. 1 ΔV(T,0ºC)=1.643+1=2.643mV. Buscando en la tabla esta tensión, se observa que corresponde a una temperatura de unos 65ºC.

Podemos también mediante la ec. 2 realizar un cálculo aproximado (y sencillo). De la ec. 1 se tiene 1.643mV=40μV/ºC(T-25), con lo que despejando T se tienen unos 66ºC.