Rediseño y Construcción de Un Termo-estimulador

7/26/2019 Rediseo y Construccin de Un Termo-estimulador

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Escuela de Ingeniera Civil Electrnica

REDISEO Y CONSTRUCCIN DE UNTERMO-ESTIMULADOR.

Tesis para optar al ttulo de:Ingeniero lectrnico

Profesor Patrocinante:Sr. Daniel Vicente Lhr Sierra

Ingeniero Civil Electricista

LUIS ANTONIO PONTIGO VASQUEZVALDIVIA - CHILE

2011


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NDICE

RESUMEN....5

SUMMARY.. 6

CAPTULO I.- DESCRIPCIN..7

1.1 INTRODUCCIN..... 8

1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO.....10

1.3 MOTIVACIN... 11

1.4 SITUACIN DEL PROYECTO. . 12

1.5 ANTECEDENTES... 13

CAPTULO II.-CELDADE PELTIER......14

2.1INTRODUCCIN.............15

2.2 DEFINICIN........17

2.3 CONSIDERACIONES....19

2.4 MTODOS FORZADOS DE ESTABILIZACIN DE TEMPERATURA......22

2.5 DISIPADOR A UTILIZAR... 23

2.6 MEDICIONES Y PRUEBAS CON LA CELDA24

CAPTULO III.- SISTEMA EMBEBIDO TS-7400..27

3.1 INTRODUCCIN.. 28

3.2 CARACTERSTICAS DEL SISTEMA OPERATIVO 30

3.3 COMPONENTES DE HARDWARE.. 31

3.4 PROCESO DE ARRANQUE.. 37


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CAPTULO IV.- SENSOR DE TEMPERATURA. 40

4.1 INTRODUCCIN. ....414.2 TIPOS DE SENSORES..43

4.2.1) Termopar ..43

4.2.2) RTD44

4.2.3) Termistor NTC, y PTC46

4.2.4) Sensores Bimetales 48

4.2.5) Sensores Integrados...49

4.3 SELECCN DEL SENSOR...50

4.4 CONEXIN DEL SENSOR AL TS-7400..55

CAPTULO V.- CONTROL PID...58

5.1 INTRODUCCIN.59

5.2 ESTRUCTURA PID.61

5.3 VARIABLES A CONSIDERAR..64

5.4 SALIDA DE SEAL PWM DE LA TS-7400.....67

5.5. SOFTWARE CONTROL PID....74

CAPTULO VI.- ETAPA DE POTENCIA....76

6.1 FUENTE DE ALIMENTACIN...776.3 PUENTE H....86

6.4 CIRCUITO DE POTENCIA.........89


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CAPITULO VII.- PUESTA EN MARCHA...91

7.1 INICIO DEL SISTEMA EMBEBIDO..92

7.2 TRASPASO DE INFORMACIN AL SISTEMA EMBEBIDO...957.3 SOFTWARE DEL SISTEMA100

7.4 PLATAFORMA WEB.104

CAPTULO 8.- DISCUSIONES Y CONCLUSIONES....105

COSTOS DEL PROYECTO 108

BIBLIOGRAFIAS..109

ANEXOS....111

- Softwares, Imgenes, y datos Adjuntos.....112


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RESUMEN

En la presente investigacin se desarrollar el diseo y construccin de un Termo-estimulador.

Para esto se utilizar un sistema embebido el cual est encargado de realizar el control PID,sobre una celda de peltier, la cual vara su temperatura en funcin de la corriente que circule

por ella.

El objetivo principal del proyecto de titulacin es mantener la temperatura constante en la celda

de peltier durante el mayor tiempo posible y con la mayor rapidez. A la vez, se debe tener

presente que el titulo del proyecto es Rediseo y construccin de un termo-estimulador, para

lo cual se realizar una reingeniera completa de un termo-estimulador, por lo que no se

profundizar en diseos anteriores, tomando solo de estos, sus caractersticas y objetivosprincipales. Se incorporarn nuevas y poco masificadas tecnologas, como son los sistemas

embebidos en base al sistema operativo Linux, explotando al mximo las caractersticas de

ste, para as optimizar y lograr que la temperatura en la celda de peltier tenga una variacin lo

ms rpida y estable posible, como se mencion anteriormente.

Finalmente, se realizar una plataforma Web, interactiva y amigable para el control de la

temperatura en la Celda de Peltier, para lograr el control desde una estacin remota. Para esto

se analizar y trabajar con variados lenguajes de programacin. Una vez hecho esto, seproceder a construir el prototipo del sistema, y se tomarn todas las mediciones

correspondientes, incorporando todos los costos relacionados a su construccin.


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Summary:

In this research we will develop the design and construction of a thermo-stimulator. For

this, we will use an embedded system which is responsible for carrying out the PID control ona Peltier cell, and its temperature varies depending on the current flowing through it.

The main objective of this research is to maintain constantly the temperature in the Peltier

cell for as long as possible and quickly. At the same time, we have to considered that the main

topic or the name of this project is "The redesign and construction of a thermo-stimulator", and

for this, we will do a complete reengineering of a thermo-stimulator. So, this research will not talk

deeper than the basic characteristics and main goals of the previous designs. We will

incorporate new and less known technologies, such as embedded systems basedon Linux operating system, using its characteristics as much as we can, to optimize and make

the temperature in the Peltier cell has a variation as fast and stable as possible.

Finally, there will be an interactive and a friendly Web platform, to control the temperature in the

Peltier cell to control it, from a remote station. For this, we will analyze and work with various

programming languages. Once this is done, we will also proceed to build the prototype system,

and do all the appropriate measures, including all the costs related to its construction.


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Captulo I

DESCRIPCION


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1.1) Introduccin.

Si bien el proyecto se basa en la creacin y estabilizacin de la temperatura en un termo

estimulador, se debe recalcar que este proyecto, est ms enfocado en la utilizacin de trescomponentes de gran importancia para el correcto funcionamiento de est, como son: la celda

de peltier, sensor de temperatura, y el sistema embebido TS-7400. Siendo este ultimo

componente el ms importante y la base del proyecto.

La Celda De Peltier, es un semiconductor poco masificado debido a la dificultad de obtener

una respuesta lineal o constante de este, La Celda de Peltier lleva el nombre de su descubridor

Jean Peltier, quien en 1834, descubri su funcionamiento bsico , que consiste en crear una

diferencia trmica a partir de una diferencia de potencial, el cual es el efecto contrario al efectoSeebeck, descubierto por Thomas Johann Seebeck 13 aos antes, en 1821 .El efecto

Seebeck convierte una diferencia de temperatura en electricidad, en pocas palabras se crea un

voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos semiconductores diferentes.

El segundo componente importante en el proyecto es el sensorde temperaturaa utilizar, ya

que este debe presentar una respuesta lo ms estable y rpida posible, con el menor error o

variacin de la temperatura medida.

Finalmente el tercer componente es el sistema embebido TS-7400, el cual basa su

funcionamiento en el software libre Linux, siendo el TS-7400 un modulo de computador

compacto, el cual incorpora el masificado Procesador Cirrus EP9302 ARM9, que proporciona

un conjunto de perifricos, tanto de entrada como de salida, presentando caractersticas como:

Procesador de 200 Mhz, 1 conector estndar SD de hasta 4 Gb, 1 puerto Ethernet 10/100, 2

puertos UBS, una cabecera de 40 pines y una cabecera de 26 pines, las cuales incorporan

muchas interfaces, como son: audio AC`97/I2c, 3 puertos COM con niveles TTL, 4 canales A/D,

20 DIO, canal SPI, reguladores de voltajes, puerto USB, Soporte Wi-Fi 802.11g, entre otros, de

los cuales se analizarn en el transcurso de la investigacin.


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Para entender las dimensiones y aplicaciones de este trabajo se debe comenzar explicando en

qu consiste un termo estimulador, el cual fue creado, con el fin de variar repentina y

bruscamente la temperatura en un aparato, generalmente una celda de peltier, con variadas

aplicaciones como son producir reacciones en el sistema nervioso debido a las variacionesrepentinas de temperatura, as como tambin controlar la multiplicacin celular en un

laboratorio, entre otras aplicaciones.

El termo estimulador basa su funcionamiento en mantener constante y controlada la

temperatura en la Celda De Peltier durante el mayor tiempo posible, pero mantener dicha

temperatura constante es complicado, debido a que la celda de peltier es un semiconductor, el

cual mientras una cara est enfriando, la otra est calentando, producindose una transferencia

de calor desde la cara caliente a la fra, debido a la proximidad entre stas.

Originalmente el termo estimulador presenta algunas desventajas, como son:

1) el gran tamao del equipo, por lo que no es fcil de transportar.

2) la imposibilidad de mantener constante la temperatura de la Celda De Peltier.

Debido a que como se mencion anteriormente, no es un semiconductor de respuesta lineal o

constante debido a la transferencia de calor de una cara a otra, variando de esta forma su

resistividad a causa de la temperatura que se produce en la celda, por lo cual consume cada

vez ms corriente para estabilizarla, llegando un punto donde la celda excede su capacidad

mxima de potencia, y a diferencia de otros diseos anteriores, en este se pretende controlar la

temperatura desde una estacin remota, aprovechando las caractersticas del sistema

embebido TS-7400, y se utilizar tambin como servidor Web, para as controlar desde una Red

Ethernet los parmetros de control PID, con el objetivo de lograr estabilizar la temperatura de la

celda de peltier.


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1.2) Objetivos del proyecto.

- Redisear y construir un termo estimulador, para as modernizar y actualizar diseos

creados anteriormente.

- Utilizar, y dar a conocer un semiconductor poco masificado, como es la Celda de Peltier.

- Mantener estable durante el mayor tiempo posible la temperatura de la Celda de Peltier,

por medio de un control PID.

- Manejar nuevas tecnologas, como es el sistema embebido TS-7400, el cual utiliza un

software libre, como es Linux.

- Realizar un programa o una plataforma para controlar los parmetros PID, y la

temperatura de la celda.

- Controlar la temperatura desde una estacin remota, por medio de una red Ethernet.


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1.3) Motivacin.

Como se mencion anteriormente, este proyecto tiene como fin modernizar el diseo de untermo-estimulador, aparato el cual se adhiere sobre la piel, para as variar repentina y

controladamente la temperatura de una celda de peltier, teniendo adems, variadas

aplicaciones, como por ejemplo facilitar la divisin celular en un laboratorio, entre otras

aplicaciones ms. Cabe mencionar que este es un aparato para investigacin, se sabe que

muchas personas sufren de enfermedades como la roscea, lupus, entre otras, las cuales ante

pequeos cambios repentinos de temperatura su piel sobre-reacciona de una exagerada ante

esto, cambiando notoriamente el color de esta, generalmente adoptando la piel un tono rojizo, e

incluso en algunos casos, en un tono morado. Es sabido que esto es debido a una falla de losvasos capilares de la piel, pero lo que se pretende con esto es indagar que zonas de nuestro

sistema nervioso son las que activan esta dilatacin o contraccin de los vasos capilares, por

medio de sondas neuronales, las cuales son responsabilidad del equipo de investigacin.

Desde el punto de vista electrnico, esta es una excelente oportunidad para experimentar con

equipos poco masificados en Sudamrica, como es la utilizacin de sistemas embebidos

basados en software libres, los cuales presentan una cabecera de pines que tienen mltiples

entradas y salidas para el correcto desarrollo de esta investigacin, as como tambin, la

posibilidad de interactuar con otras mquinas, independiente del lugar en que estan situadas, o

del sistema operativo que utilicen.

No hay que olvidar la ya mencionada Celda de Peltier, la cual puede tener variadas

aplicaciones, siendo el objetivo principal poder controlar y mantener constante la temperatura

de las caras de sta, lo cual se pretende conseguir durante el desarrollo de esta investigacin.


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1.4) Situacin del proyecto.

Este proyecto se basa en lograr estabilizar la temperatura de una celda de peltier durante la

mayor cantidad de tiempo posible. Si bien el efecto peltier data de 1834, fecha que se mencionanteriormente que Jean Peltier lo descubri, sabemos que el trabajo con la celda no es popular,

debido a la dificultad de estabilizar la temperatura de dicha celda, a causa de la transferencia de

calor que presenta de una cara a otra, efecto que se dar a conocer ms adelante.

Para el desarrollo del proyecto se decidi utilizar el sistema embebido TS-7400, el cual es un

modulo de computador compacto, con mltiples entradas y salidas, poco masificado, con el que

se pueden realizar un sin fin de aplicaciones.

Tambin se acord realizar el control de la temperatura de la celda de peltier por medio de la

creacin de un programa PID, en la TS-7400. Sabemos que el control PID, es el ms completo

de todos los sistemas de control de lazo cerrado, y para realizar este control de lazo cerrado

ser necesaria la utilizacin de un sensor de temperatura, el cual logre monitorear

constantemente la temperatura en la celda de peltier, para as obtener el error entre el valor

deseado y el valor medido.

Debido a que el sistema embebido TS-7400, presenta salidas de baja potencia, y el consumo

de la celda de peltier puede llegar fcilmente a los 100 Watts, dependiendo del modelo y

tamao de esta, ser necesario incluir una etapa de potencia, para as obtener un control y una

respuesta rpida en la Celda de Peltier, teniendo presente que a mayor potencia, ms rpida

ser la respuesta de la Celda de Peltier.

Gran parte de la investigacin se basar en la puesta en marcha y el correcto funcionamiento

del sistema embebido TS-7400, sirviendo de esta manera como una completa gua para futuras

aplicaciones o trabajos a desarrollar con dicho sistema embebido.


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1.5) Antecedentes.

Se mencion anteriormente, que el objetivo de este proyecto es actualizar el diseo creado

anteriormente, pero se debe recalcar que este trabajo no tiene nada en comn o relacin algunacon el diseo antes mencionado, ms que la utilizacin de la celda de peltier, a pesar de que se

contaba con el manual y su respectivo plano, no se tomar en cuenta el diseo anterior, por

utilizar electrnica discreta, considerarse un diseo obsoleto debido a que las tecnologas

avanzan da a da, utilizando para ello nuevas tecnologas y electrnica digital, partiendo desde

cero en el proyecto a disear.

En la etapa de evaluacin del proyecto se realiz una bsqueda en la WEB, para as

analizar la informacin disponible, encontrndose gran cantidad de material sobre Celdas de

Peltier, y control PID. A la vez se observo la falta de proyectos realizados con el sistemaembebido TS-7400, debido a que es un sistema relativamente nuevo en el mercado y poco

masificado.

Cabe mencionar que se cuenta con un manual de usuario del TS-7400, en el cual se explica

detalladamente cada uno de sus componentes, y funciones que cumplen estos.


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Captulo II

CELDA DE PELTIER


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2.1) Introduccin.

En los ltimos aos la termoelectricidad ha avanzado a pasos agigantados, motivo por el

cual, hoy en da gran parte de la gente ha odo sobre este fenmeno, la que muestraconstantemente algunas aplicaciones en el mercado, siendo la ms popular, las neveras

porttiles.

El descubrimiento de los fenmenos termoelctricos, y la bsqueda de nuevas alternativas de

generacin de energa, ha permitido un avance continuo en la tecnologa termoelctrica en los

ltimos aos, siendo cada da de mayor inters esta rama de la fsica. Y en la experimentacin

en laboratorios con dicha tecnologa, las aplicaciones son variadas. El hecho de poder refrigerar

o calentar una zona especfica y de reducido tamao, permite abrir una gran puerta a latermoelectricidad. Siendo uno de los aparatos ms utilizados para este fin, la ya mencionada

Celda de Peltier.

Es muy posible que a corto plazo las celdas de Peltier, mejoren sus caractersticas de

linealidad en su respuesta de temperatura, teniendo en cuenta que los semiconductores

mejoran constantemente, y con esto la posibilidad de mantener una temperatura idnea, en las

diferentes aplicaciones en las cuales son utilizadas dichas Celdas.

Sabemos que el efecto Peltier se caracteriza por la aparicin de una diferencia de temperaturas

entre las dos caras de un semiconductor cuando por l circula una corriente. Por lo que el

principal problema que posiblemente ocurra en este proyecto, ser que mientras una cara de la

Celda est enfriando, la otra est calentando, y por esta ltima cara se producir una

transferencia de calor hacia la cara fra, y debido a que la celda de Peltier basa su

funcionamiento en mantener constante una diferencia de temperatura entre las caras, se

necesitar cada vez proveer a la celda de una mayor potencia, para as mantener la

temperatura estable, llegando a un punto en la cual la celda exceda su mximo de potencia de

trabajo, producindose una sobrecarga, quedando inutilizada.

Debido a su pequeo tamao, y a la proximidad entre la cara que enfra, y la que calienta, toda

esta transferencia de calor ocurre en un lapsus de tiempo muy reducido, logrando solo por


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escasos segundos trabajar con la celda, y siendo prcticamente nula la posibilidad de

mantener constante la temperatura de la celda de peltier.

Por lo que, para que no ocurra lo anterior, se realizar un control de lazo cerrado para alimentar

la celda con energa, y si fuese necesario, buscar algn mtodo con el fin de disipar la

temperatura en la cara que est calentando en la Celda, para as disminuir la potencia

necesaria para enfriar la otra cara de la Celda.


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2.2) Definicin.

El efecto Peltier fue descubierto en Francia en 1834 por Charles Peltier, efectocontrario al efecto Seebeck, descubierto 13 aos antes por el fsico alemn Thomas Johann

Seebeck.

Este efecto se caracteriza por la aparicin de una diferencia de temperaturas entre las dos

caras de un semiconductor a partir de una diferencia de potencial. Una celda Peltier est

conformada por dos materiales semiconductores uno tipo P y otro tipo N. En uno de los

materiales "N" hay un flujo de electrones, mientras que en el tipo "P" hay un flujo de agujeros

que en su conjunto permiten absorber y extraer el calor de un lado al otro, al tener un lado N yotro P, Es decir se crea una diferencia de calor entre las dos caras de la celda debido a una

diferencia de voltaje entre ellas.

Una forma de entender el efecto Peltier es observar que los electrones se expanden cuando

fluyen de una zona de alta densidad, a una de baja densidad, al igual que lo hace un gas

cuando se enfra al pasar de un estado lquido de alta densidad, a uno gaseoso, de baja

densidad.

Cabe mencionar que al estar compuesta por materiales tipo N y otro P, se podra pensar que

se comporta como un Diodo, pero esto no es as, ya que hay flujo de corriente en ambos

sentidos, as como tambin, tampoco hay una cada de tensin fija a travs de la unin de los

semiconductores.

Internamente la Celda de Peltier posee elementos semiconductores altamente impurificados los

cuales desde aproximadamente 1960 se fabrican con Te3-Bi2(telurio 3 - bismuto 2) tipo-p, y con

Te3-Bi2 tipo-n. En vez de cables, son pequeos bloquecitos de 1 mm x 1 mm x 2 mm

conectados alternadamente en series, tipo N- tipo P tipo N tipo P - etc., y trmicamente en

paralelo, de modo tal que todas las uniones donde la corriente va del tipo P al Tipo N, los cuales

estn en contacto trmico con la misma cara del mdulo donde se liberar calor, y todas las

uniones donde la corriente va del tipo N al P, estn en contacto trmico con la otra cara, que


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absorber calor. Los electrones que se dirigen hacia el material tipo p, pierden energa en forma

de calor, mientras que para ir hacia el material tipo n, los electrones deben absorber calor.

Estos bloques compuestos por Telurio-bismuto estn dispuestos elctricamente en seriemediante conductores de cobre. Y, para aislar los conductores de cobre del disipador se agrega

entre ellos una placa de cermica que funciona como aislante, siendo en esta placa en la cual

se observar las diferencias de temperatura producidas en la mencionada Celda De Peltier.

En la siguiente imagen de pueden apreciar todas las etapas y componentes de la Celda de

Peltier.

Figura N1: Celda Peltier (diseo propio).

Las celdas de Peltier trabajan en base a una diferencia de temperatura entre sus caras, siendo

esta temperatura constante, conocida como T, por lo tanto a mayor voltaje o corriente en la

celda, tericamente mayor ser la diferencia de temperatura (T) entre sus caras, ya que a

mayor potencia en la Celda de Peltier, mayor ser la transferencia de calor de una cara a otra,

producindose el colapso de esta.


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2.3) Consideraciones.

Se deben tener en consideracin para esta investigacin los siguientes factores, como

es, la ecuacin de la refrigeracin, estableciendo los parmetros iniciales de trabajo,comprendiendo para este trabajo los parmetros de temperatura estarn entre los -10 C, y 80

C, considerando que la temperatura ambiente es un factor desfavorable, ya que el objetivo es

calentar sobre la temperatura ambiente, o enfriar bajo la temperatura ambiente

respectivamente.

Si se tiene encuentra que la energa no se pierde, sino que se transforma, se puede suponerque la energa en la celda debe estar en balance.

Figura N 2: radiacin de calor en la celda (dibujo propio).

Tambin es importante determinar la magnitud de la carga pasiva, ya que hay muchos factores

los cuales hay que tener en consideracin, siendo los ms importantes: por conduccin y por

conveccin.

Cabe aclarar que en el dibujo se refiere a (VxI) como la energa trmica contenida en el

material, ya que la principal funcin del la celda es convertir la potencia consumida en calor, por

lo tanto se desprende que la potencia consumida, es proporcional al calor que se genera en la

celda.

Hay que tener presenta las prdidas que se producen en la celda, siendo las mas importantes,

por conduccin y por conveccin


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Por conducc in: son las prdidas que se producen a travs de las paredes del material

empleado, como son: aislantes, estructuras, anclajes, entre otros, teniendo presente la siguiente

ecuacin:

Q = (DT x K x A)/ L

Donde:

Qes la cantidad de calor conducida.

DT es la diferencia de temperatura entre el ambiente y la carga o masa a refrigerar.

Kes la conductividad trmica del material.

Les el espesor del material.

Aes el rea total expuesta de toda la superficie en contacto.

a) Por Conv eccin:Son prdidas como resultado de la circulacin de corrientes trmicas,

se pueden calcular de la siguiente forma:

Q = h x A x DT

Donde:

Qes la cantidad de calor generada por conveccin (watts).

Hes el coeficiente de transmisin de calor, expresada en Watts/ mt. Cuadrado por C.

Aes la superficie expuesta (mt 2 x watts).

DTes la diferencia de temperatura entre la carga trmica y el ambiente C/watts

El motivo por el cual se detallan ambas formulas es para observar que, en ambas ecuaciones

hay que tener presenta la diferencia trmica entre la celda y el ambiente, est diferencia resulta

muy importante al momento de realizar pruebas en la celda, ya que a temperaturas ambientes

bajas, es ms rpida la estabilizacin de la celda a bajas temperaturas, es decir la tiempo de

estabilizacin de la celda, es proporcional a la temperatura ambiente.


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Uno de los mtodos ms sencillos para disminuir las cargas pasivas, es aislar las masas o

cargas lo mximo posible del ambiente, ya que, cuanto ms aisladas estn, menos perdidas

tendr el sistema.

Tambin hay que tener en cuenta que es necesario utilizar un radiador o disipador de calor, el

cual va a estar determinado por la potencia requerida por la Celda de Peltier.

Otro efecto a cons iderar es la con densacin pro duc ida en la celda de pelt ier,por lo cual

es necesario sellar los costados de la celda, para que as no se produzca un cortocircuito,

siendo el sellador ms comn y de bajo costo la silicona industrial.

Referente a lo antes mencionado, hay que tener presente que en la condensacin del agua segenera agua pu ra, y el agua pu ra es aislante, por lo que en un comienzo no debera

producirse conductividad, y por ende no debera haber cortocircuitos en la celda, pero con el

paso del tiempo se corre el riesgo de que depo siten sales minerales, y el agua se vuelva

conductora, por lo que bajo esas circunstancia si se producir conductividad, con sus

respectivas consecuencias en el circuito.


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2.4) Mtodos de estabilizar la temperatura en celdas peltier.

Se sabe que la Celda de Peltier, basa su funcionamiento en mantener constante una

diferencia de temperatura entre sus caras, conocida como T, esta diferencia de temperaturaest determinada en funcin de la corriente y voltaje aplicado, observndose sus respectivas

curvas de respuesta en las hojas de datos entregadas por cada fabricante.

El principal problema presente en la celda De Peltier, es debido a la transferencia de calor que

se produce desde la cara caliente a la cara fra, recordando que en todo momento se mantiene

un T constante, por este motivo ocurre que la cara fra es cada vez ms caliente, y con una

diferencia de temperatura (T )constante entre sus caras, la cara caliente va a aumentar su

temperatura, llegando a un punto donde la celda exceder el lmite mximo de temperatura detrabajo generando un sobrecalentamiento en sta, produciendo su respectiva inutilizacin. Cabe

mencionar que toda esta transferencia de calor de una cara a otra ocurre muy rpidamente, por

lo que es indispensable utilizar un disipador en una de las caras de la Celda de Peltier.

En cuanto al diseo del disipador, para mantener constante la temperatura de una de las caras

de la celda, se sabe que el clculo del tamao, forma, entre otras caractersticas, depende de la

temperatura que se quiere controlar, y siendo esta temperatura constantemente variada, no

teniendo claro un valor exacto para esta, por lo que se hace imposible calcular un disipador

para estabilizar la temperatura en la Celda. Debido a que el rango de temperatura en el cual se

va a trabajar es -20 C a 70 C, se optar por utilizar un disipador comercial estndar, el mismo

utilizado en el control de temperatura de las CPU.

Cabe mencionar que uno de los motivos por los cuales no se trabajar con un disipador

calculado especialmente para la celda, es debido a que el objetivo principal de esta

investigacin es estabilizar la temperatura en la Celda de Peltier por medio de un control PID,

siendo el disipador de temperatura solo una proteccin para el sobre calentamiento de la celda

de peltier.


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2.5) Disipador a utilizar.

Quedando claro anteriormente que el disipador es solo una medida de proteccin para el sobre

calentamiento en la Celda de Peltier, siendo el control PID, el mtodo principal para estabilizarla temperatura, la idea es que el trabajo de estabilizacin de la celda De Peltier sea realizado

por el control PID, y no por disipador, ya que este ultimo vara segn la temperatura con la que

se quiera trabajar, motivo por el cual se obviara el clculo del disipador, y se utilizar un

disipador comercial.

Despus de buscar en el comercio las diferentes alternativas de disipadores para procesadores,

se opt por utilizar un disipador para Socket 370/462, se eligi este disipador por que cubre el

rea deseada de contacto con la Celda, y a la vez es uno de los ms econmicos en elmercado.

Modelo: CP5-6J31C-99.

Fabricante: Cooler Master.

Socket 370/462 (diseado idealmente para procesadores SEMPRON).

Disipador: Aluminio con base de cobre

Velocidad: 4200 rpm.

(Imagen N1, obtenida de www.compustore.cl/disipadores).


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2.6) Mediciones y pruebas con la celda.

La celda a utilizar es el modelo ZXS TEC1-12706, que se muestra a continuacin:

(Imagen N2, obtenida de www.electronicash.com)

Sus caractersticas principales son:

(Cuadro N1, Extrado de datasheet adjunto Celda ZXS TEC1-12706).

Celda que no se recomienda exceder los 12 Volt de polarizacin, y 6 Amperes de

corriente, o bien no exceder nunca su potencia mxima de 91.2 Watts.

Una de las principales ventajas de esta celda es que viene completamente aislada contra

humedad, (se debe recordar que en la cara fra a temperaturas muy bajas, se produce

condensacin de la humedad, es decir: hielo, lo cual puede afectar la conductividad en dicha

celda).


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Curvas caractersticas de la Celda de Peltier, TEC1-12706:

(Cuadro N2, Extrado de datasheet adjunto Celda ZXS TEC1-12706).Donde:

Delta T: es la diferencia de temperatura entre ambas caras de la celda de peltier.

Qc : Potencia disipada por la Celda De Peltier (V*I).

Th : Es la diferencia trmica entre la cara caliente de la Celda y el ambiente.


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A continuacin se realizaran pruebas de laboratorio con la celda de peltier, para as medir, el

voltaje aplicado, la corriente que circula por la celda, y la temperatura en cada cara. Estas

pruebas se realizarn con disipador ya que sin este sera imposible medirla debido a su rpida

variacin.

Voltaje Corriente Temperatura Cara fra Temperatura Cara Caliente

1 (V) 0.5 A 16 C 68 C

2 (V) 1 A 14,2 C 65,8 C

3 (V) 1,7 A 11,3 C 62,7 C

4 (V) 2 A 7.5 C 59,3 C

5 (V) 2.5 A 4 C 57 C(Cuadro N3, medidas obtenidas en el proyecto).

A continuacin se muestra una imagen de la celda, con su respectivo disipador:

(Imagen N3, fotografa del proyecto).


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Captulo III

Sistema Embebido TS-7400.


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3.1) Introduccin:

El sistema embebido TS-7400 es un pequeo modulo integrado (7,4 centmetros x 12

centmetros), el cual tiene las mismas caractersticas de un computador convencional. Estdiseado con el fin de proporcionar un alto rendimiento en aplicaciones que requieren alta

fiabilidad, y sobre todo un arranque rpido (boteo en 1,8 seg). Incluye una cabecera de 40 pines

y otra de 26 pines, las cuales incorporan variadas interfaces, incorporando audio, puertos de

I/O, y puertos A/D, entre otras.

Todo esto es posible gracias a que utiliza el procesador ARM9, modelo EP9302, de 200 Mhz, el

cual consume aproximadamente 2 Watts, siendo esta baja potencia consumida una de las

principales caractersticas del sistema, sin la necesidad de requerir ventilacin, o disipador decalor para realizar su trabajo. As mismo, para proteger este sistema cuando el procesador

trabaja a temperaturas superiores a los 85C, baja su velocidad de trabajo a 166Mhz.

En torno a este procesador se construye todo un sistema altamente integrado, el cual est

compuesto por un chip de 10/100 Ethernet, puertos USB, puertos seriales, y almacenamiento

de la informacin en una tarjeta SD, con la posibilidad de conectar una memoria flash USB en

uno de los puertos USB disponibles para que cumpla la misma funcin que la tarjeta SD.

(TS-7400, vista superior)

(Imagen N 4, extrada de www.embeddedARM.com).


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A diferencia de otros productos ARM, el TS-7400 no trabaja independientemente para

su puesta en marcha y funcionamiento, ya que requiere el sistema TS-9441, el cual es una

placa (hardware), compuesta por mltiples chips, que realizan la funcin de interactuar o

conectar perifricos de entrada o salida, para as configurar y establecer la puesta en marchadel sistema. Debido a su alto costo, y a que solo se utilizarn algunas de sus funciones, se

proceder a la construccin de un nuevo sistema de hardware para interactuar con el sistema

embebido TS-7400, agregando una mayor cantidad de aplicaciones, e incorporando

reguladores y conversores de voltajes, no descartando modificar o intervenir el sistema

embebido TS-7400.


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3.2) Caractersticas del Sistema Operativo:

Todos los productos ARM utilizan una distribucin de Linux Deban, las cuales (en sus

diferentes versiones) suelen tener un compilado ms liviano, para que as el boteo se realicems rpido, llegando a arrancar el sistema en 1.1 segundos, en su versin ms liviana. La idea

de utilizar una compilacin de Linux ms liviana, como es Deban, es que esta permite un boteo

rpida y con flexibilidad en cuanto a opciones de arranque, como son tarjetas SD, UBS flash,

NFS (network File Sistem), entre otras posibilidades.

Technologic Systems, fabricante del Sistema Embebido TS-7400, proporciona en su sitio web,

las versiones de software libre disponibles, as como tambin las actualizaciones, y

documentaciones del sistema. Cabe mencionar que tambin se puede recurrir gratuitamente asoporte tcnico, ya sea por telfono, fax, o correo electrnico.

Se trabajar con el Sistema Operativo, Linux kernel, versin 2.4.26, este sistema operativo para

la TS-7400, soporta RTAI(Real Time Application Interface) Interface para Aplicaciones en

Tiempo Real. Es una implementacin de Linux para tiempo real, proporcionando la capacidad

de hacerla completamente preempatable (proc eso s de ncleo s e ejecuten c on mxim a

pr ior idad de forma que puedan inter rump ir a procesos de menor pr ior idad). RTAI aade

un pequeo ncleo Linux de tiempo real bajo el ncleo estndar de Linux y trata al ncleo Linux

como una tarea de menor prioridad. y adems proporciona una amplia seleccin de

mecanismos de comunicacin entre procesos y otros servicios de tiempo real.

Cabe mencionar que el TS-7400 se puede cargar con otros sistemas operativos, como NetBSD.

Este es un sistema operativo de la familia Unix (Sistema Operativo portable, multitarea y

multiusuario), de cdigo abierto y libre. Su diseo y sus caractersticas avanzadas lo hacen

ideal para gran variedad de aplicaciones. NetBSD ha surgido como resultado del esfuerzo de un

gran nmero de personas que tienen como objetivo producir un sistema operativo tipo Unix

accesible y libremente distribuible.


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3.3) Componentes de Hardware del ts-7400:

El procesadoropera con un voltaje de 1.8 volts, mientras que sus perifricos de entrada

y salida funcionan a 3.3 Volts, consumiendo una potencia comprendida entre los 100mW y 750mW, dependiendo de la velocidad de trabajo del sistema, este procesador es capaz de soportar

sistemas operativos de alto nivel, tales como Linux, netBSD, Windows CE, siendo este ltimo el

menos utilizado, ya que en la actualidad no presenta soporte, ni actualizaciones de sus libreras.

Como se ha mencionado anteriormente el Sistema Embebido TS-7400, presenta 20 pines

GPIO(perifricos de propsito general), los cuales se pueden configurar individualmente, estos

se pueden configurar como una entrada flotante (de alta impedancia) o como una salida de un 0

1 de seal lgica. Cuando se configura uno de estos perifricos como entrada la tensinumbral que soporta es de 3.3 Volts LCVMOS (tecnologa de baja tensin), pero con 400mV de

histresis (3.3V +/- 0.4 V). Estos pines de propsito general presentan disparadores Schmitt

Trigger, los cuales cambian su estado cuando la tensin de salida sobrepasa un determinado

nivel de voltaje, el Schmitt Trigger no es ms que un amplificador operacional sin

realimentacin. Como salida los pines GPIO pueden conducir como mximo 8 mA, si se quiere

sobrepasar esta corriente se va a producir una cada en el voltaje de salida de los pines GPIO.

Se debe tener en cuenta que el Sistema embebido no soporta voltajes sobre los 3.3 Volts, por lo

cual no es compatible con la lgica 5V CMOS, por lo que es necesario adaptar los voltajes si se

quiere trabajar con la lgica CMOS (Para ms informacin consultar el manual de usuario

adjunto a este proyecto).

En cuanto a los conversores A/Dcabe mencionar que el procesador EP9302 cuenta con 5

canales A/D, estando disponibles solo 4 canales A/D en las cabeceras del Sistema Embebido,

de 12 Bits, con un rango de entrada de 0 a 3.3V, permitiendo realizar 925 muestras por

segundo en cada convertidor A/D.

Para mantener la precisin de 12 Bits la seal de entrada al conversor debe tener una

impedancia baja, menor a 10, en este proyecto se utilizar un circuito amplificador

configurado en seguidor, para as amortiguar la seal que llegar al convertidor A/D.


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El conector USB del TS-7400 proporciona dos interfaces USB para el usuario. Estas

estn directamente conectadas al procesador EP9302, que integra un doble puerto USB,

proporcionando una velocidad serie de comunicacin de 12 Mbits/seg. Hasta 127 dispositivos

USB (impresora, mouse, cmara, teclado, etc.) y hubs USB, pueden ser conectados al hostUSB en el USB utilizando la topologa de estrella.

Este puerto USB incluye las siguientes caractersticas:

Compatible con USB 2.0.

Conexiones USB del dispositivo de apoyo, tanto a baja velocidad (1,5 Mbps) con una

mxima velocidad de 12 Mbps.Transmisor buffer (receptor) integrado.

Funciona como maestro en el bus.

El zcalo o conexin de la tarjeta SD(conector ALPS) en la parte trasera de la TS-7400.

El ncleo de hardware implementado por Technologic Systems est integrado dentro de la

placa CPLD. Technologic Systems ha escrito un modulo de controlador binario de Linux y un

conjunto de genricos, rutinas leer/escribir del sistema operativo independiente para acceder ala SD flash dentro de un archivo.

Lo ms im portan te y q ue se d ebe record ar es qu e la TS-7400 sop orta como mxim o

tar jetas SD de 2 GB .


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Dentro de los componentes de hardware encontramos la Cabecera Superior Upper header, y

la Cabecera Inferior Lower header, las cuales permiten extraer las conexiones: Ethernet

10/100, puertos host USB, flash SD, 20 Pines GPIO, conversores A/D, audio, entre otros.

(Figura N 3, Cabecera superior, e inferior; imagen extrada del manual de la TS-7400)

La combinacin de estas dos cabeceras proporcionan las siguientes funcionalidades:

1. Puertos USB 2.0 (12 Mb/s) y, puertos SPI de alta velocidad (hasta 14.7 Mhz).

2. Tres puertos seriales UART, de niveles TTL, siendo uno de estos con salida RS485,

el cual es un sistema en bus de transmisin, el cual puede transmitir a altas

velocidades sobre distancias de hasta 1.200 metros, donde el medio fsico detransmisin es un par entrelazado que admite hasta 32 estaciones en 1 solo hilo,

operando entre 300 y 19.200 bps y la comunicacin half-duplex.

3. Cuatro conversores A/D de 12 bits, con niveles de voltaje de entrada comprendidos

entre los 0 y 3.3 Volts.

4. Veinte GPIO, perifricos de propsito general, bidireccionales, los cuales presentan

disparadores Schmitt.

5. Reguladores de voltaje, de 1.8 Volts, 3.3 Volts y 5 volts.

6. Interfaz de audio I2c/AC97.

7. Entrada de reset externo.


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Cabecera Superior (Upper header).

En la cabecera superior hay muchos pines que solo son utilizados por el fabricante del

producto, para una mejor compresin de estos se pueden apreciar de color gris, as como

tambin los que en un comienzo se utilizarn para crear nuestro propia versin de la TS-9441

estn de color amarillo, los que se encuentran sin color aun estn por definirse su utilizacin, a

continuacin se detallan cada uno de los pines de la cabecera superior:

(cuadro N4, extrado del manual de la TS-7400)


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Cabecera inferior (Lower header).

En la cabecera inferior se encuentran todos los perifricos de propsito general (GPIO),

ascomo tambin los conversores A/D, salida de audio AC97, entre otras, para esta etapa nose va a diferenciar por medio de colores los pines a utilizar, ya que en la cabecera inferior se

tendr la posibilidad de utilizar todos los pines, debido a que ninguno se encuentra reservado

para uso exclusivo del fabricante, como era el caso anterior, los pines de la cabecera inferior los

detallaremos a continuacin:


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(Cuadro N5, extrado del manual de la TS-7400)


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3.4) Proceso de arranque:

Como es sabido, antes de iniciar el proceso de arranque se debe tomar las medidas de

precaucin necesarias, como es la correcta manipulacin de la placa, asegurndose de tomarlas medidas para evitar descargas electrostticas que pudieran daar el sistema, as como

tambin desconectar la fuente de alimentacin antes de realizar el cableado, o cualquier otro

procedimiento.

Anteriormente se mencion que para realizar el proceso de arranque es necesario el TS-9441,

para comunicar perifricos, en este caso es necesario realizar la comunicacin con una terminal

externa, es decir un ordenador. Debido al costo del TS-9441, se proceder a la construccin de

una terminal similar para lograr la comunicacin con los perifricos que se necesiten.

Para la construccin de la terminal de comunicacin de perifricos, se analizar y trabajar por

separado cada una de las etapas de comunicacin que se requieran, para ello se debe tener

presente que el sistema embebido TS-7400 cuenta con una cabecera de 40 pines y otra de 26

pines de donde se obtendrn los puertos, o perifricos necesarios para la comunicacin, ya que

la TS-7400 cuenta con UART TTL, por lo que se deber convertir los niveles de voltaje a RS-

232, y conectarlo a un ordenador por medio de un conector DB9. A continuacin se analizara el

diseo para comunicar al TS-7400, con un ordenador (computador):

(Figura N4, rs-232; Creacin propia).


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Una vez realizado el circuito anterior, se proceder a conectar dicho circuito con un ordenador,

especficamente con el puerto serie del ordenador, este caso se trabajar con un computador

porttil, el cual no tiene puerto serie RS-232, por lo que se utilizar un convertidor estndar de

USB a RS-232.

Una vez conectada la TS-7400 con el ordenador porttil, se proceder a utilizar un programa

terminal, en este caso se utilizar Hyperterminal (si se desea trabajar con Linux se podra

utilizar el programa MiniCom GtkTerm), para ello se debe configurar los parmetros para

realizar el encabezado, utilizando los parmetros series de:

- 115.200 baudios.

- 8 bits de datos.- Sin paridad.

- Sin control de flujo.

- 1 bit de parada (8N1).

Definiendo los parmetros antes mencionados, se puede establecer la comunicacin con la TS-

7400, la cual segn el fabricante botea en 1,1 segundos utilizando la versin de Linux-Kernel

2.4.26.

Despus o luego del prendido, se desplegar en el ordenador las siguientes lneas de

comandos:


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En este punto, si se escribiera exit desde la consola que se est utilizando, se intentar un

completo arranque de Linux desde la tarjeta SD en la particin #3. Si la tarjeta SD no est

presente el Sistema de ficheros ext2 no pasa una prueba de errores. Esta versin de Linux,

llamada TS-Linux, contiene Apache, SSH, PPP, y el servidor FTP y muchos otros servicioscomunes y bibliotecas y es idntica a la distribucin instalada por defecto en la lnea del TS-

7400.

Para arrancar automticamente d esde el com ando a bord o de f lash es:

ln -sf /linuxrc-mtdroot /linuxrc; save.

Para arrancar automticamente d esde el USB flash o d isco dur o USB:

ln -sf /linuxrc-usbroot /linuxrc; save.

El "/linuxrc" archivo es un script, el cual es lo primero que dirige el kernel cuando se ejecuta,en el arranque o inicio.

Estos scripts fueron diseados para ser tan rpido y sencillo como sea posible

(aproximadamente 45 lneas de cdigo) para facilitar modificaciones personalizadas o del

cliente. Esto se debe a que se est anticipando, a que este script pueden ser modificado por

defecto, para implementar tareas o programas determinados por el usuario, tales como las

configuraciones de copia de seguridad o configuraciones posteriores, actualizaciones de campo

del software, el arranque condicional/ verificacin de tarjetas SD, etc.

En este trabajo se utilizar una versin de Kernel ms actualizada y completa, la cual inicia en

1.84Segundos.


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Captulo IV

Sensor de temperatura.


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4.1 Introduccin.

Los sensores de temperatura se utilizan para variados propsitos, como el control de

sistemas de refrigeracin, laboratorios, procesos automotrices, siendo generalmente utilizadosen procesos industriales. La medida de la temperatura ocurre tpicamente en lquidos o a travs

de contacto con la superficie. La medida del contacto no se requiere siempre, sin embargo

existen en el mercado los sensores que pueden hacer una medida de calor sin contacto fsico.

Esto se hace normalmente con el uso de la tecnologa infrarroja.

Cuando selecciona un sensor existen una gran cantidad de consideraciones que se deben tener

en cuenta, siendo este proceso de seleccin una toma de difcil decisin. Se sabe que el sensor

debe ser capaz de medir una gran gama de temperaturas con el mnimo error posible, as comotambin la velocidad de respuesta de ste. En consideracin a lo anteriormente sealado, cabe

decir que los sensores presentes en el mercado, generalmente no compatibilizan velocidad de

respuesta, con presin, por lo cual es necesario buscar un sensor que se adapte a las

necesidades de esta investigacin, es decir sacrificar velocidad a expensas de la precisin.

Para tener ms claro que se quiere medir, cabe definir lo que es temperatura, as como los

parmetros que se tienen en consideracin para su graduacin o medida, definiendo de esta

forma, la temperatura como una medida de la intensidad del calor.

El desarrollo de tcnicas para la medicin de la temperatura ha pasado por un largo proceso

histrico, ya que es necesario darle un valor numrico a una idea intuitiva como es lo fro o lo

caliente. Multitud de propiedades fisicoqumicas de los materiales o las sustancias varan en

funcin de la temperatura a la que se encuentran, como por ejemplo su estado (slido, lquido,

gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presin de vapor, su color o la conductividad

elctrica.

Como ya se mencion, la temperatura se mide con sensores, los cuales pueden ser calibrados

de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medicin de la temperatura.


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En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala

correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al

"cero absoluto", y se grada con un tamao de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo,

fuera del mbito cientfico, el uso de otras escalas de temperatura son comunes.

La unidad de base es el Kelvin con la abreviatura K. Kelvin es la 273,16ta parte de la

temperatura termodinmica del punto triple del agua pura. El punto triple (=273,16 K) describe

el estado del agua en el cual tres fases (slido, lquido y gaseoso) existen en equilibrio.

Conversiones:

Kelvin a grados centgrados

Frmula T[K] = T-273,15 [C]

Ejemplo 250 K = (250 - 273,15)C = -23,15C

Un sensor de temperatura garantiza una salida continua en funcin de la temperatura real del

sistema, lo que permite controlar por completo cualquier proceso.


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4.2 Tipos de Sensores.

Los sensores de temperatura se pueden clasificar segn su tipo, funcionamiento, osegn el material por el cual estn construidos, siendo el material ms utilizados el platino. A

Continuacin se clasifican los sensores segn el tipo, siendo los siguientes:

Sensores de Temperatura en 5 tipos:

4.2.1 Termopar.

4.2.2 RTD.

4.2.3 Termistores NTC, y PTC.4.2.4 Bimetal.

4.2.5 Integrados (diodos, o transistores).

4.2.1. Termopar: Es un dispositivo formado por la unin de dos metales distintos que produce

un voltaje (efecto Seebeck), que es funcin de la diferencia de temperaturaentre uno de los

extremos denominado "punto caliente" o unin caliente o de medida y el otro denominado

"punto fro" o unin fra o de referencia.

Son econmicos, intercambiables, tienen conectores estndar y son capaces de medir

un amplio rango de temperaturas. Su principal limitacin es la exactitud ya que los errores del

sistema inferiores a un grado Celsius son difciles de obtener.

Ventajas de los sensores termopar:

Autoalimentado.

Robusto.

Econmico.

Amplia variedad de formas fsicas.

Amplia gama de temperaturas.


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Desventajas de los sensores Termopar:

Falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares.

Problemas de Conexin (contacto entre los 2 metales). Resistencia de la Gua (resistencia de los cables)

Descalibracin (por impurezas en el metal, as como tambin al trabajar con altas

temperaturas se debe revisar constantemente el aislante de este).

Ruido (la salida del termopar es una baja tensin, por lo que es ms susceptible al

ruido).

4.2.2. RTD (Resistance Temperature Detector)son sensores de temperatura basados en la

variacin de la resistencia de un conductor con la temperatura. Al calentarse un metal habruna mayor agitacin trmica, dispersndose ms los electrones y reducindose su velocidad

media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitacin, y mayor resistencia.

Por lo general, la variacin de la resistencia es bastante lineal en mrgenes amplios de

temperatura. Los materiales empleados para la construccin de sensores RTD suelen ser

conductores tales como el cobre, el nquel o el platino, siendo uno de los ms conocidos y

utilizados el PT100, el cual lleva este nombre ya que presenta una resistencia de 100 ohm, a 0

C.

Ventajas de los Sensores RTD:

Margen de temperatura bastante amplio.

Proporciona las medidas de temperatura con mayor exactitud y repetitividad.

El valor de resistencia del sensor RTD puede ser ajustado con gran exactitud por el

fabricante (trimming), de manera que su tolerancia sea mnima. Adems, ste ser

bastante estable con el tiempo.

Los sensores RTD son los ms estables en el tiempo, presentando variaciones por

desgaste de 0.1 C/ao.

La relacin entre la temperatura y la resistencia es la ms lineal.

Los sensores RTD tienen una sensibilidad mayor que los termopares. La tensin debida

a cambios de temperatura puede ser unas diez veces mayor.


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La existencia de curvas de calibracin estndar para los distintos tipos de sensores RTD

(segn el material conductor, R0y ), facilita la posibilidad de intercambiar sensores entre

distintos fabricantes.

A diferencia de los termopares, no son necesarios cables de interconexin especiales ni

compensacin de la unin de referencia.

Desventajas de los sensores RTD:

Dado que el platino, y el resto de materiales conductores tienen una resistividad muy

baja, para conseguir un valor significativo de resistencia ser necesario devanar un hilode conductor bastante largo, por lo que, sumando el elevado costo de estos materiales,

el costo de un sensor RTD ser mayor que el de un termopar o un termistor.

El tamao y la masa de un sensor RTD ser tambin mayor que el de un termopar o un

termistor, limitando adems su velocidad de reaccin.

Los sensores RTD se ven afectados por el auto calentamiento.

Los sensores RTD no son tan durables como los termopares ante vibraciones, golpes,

etc.

No tener en cuenta la resistencia de los hilos de interconexin puede suponer un grave

error de medida.(Efecto de la resistencia de los hilos de interconexin).

En definitiva, los sensores RTD son los ms apropiados para aplicaciones en las que la

exactitud de la medida es crtica mientras que la velocidad y el coste son menos

importantes.


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4.2.3. Termistores NTC, y PTC:

Estos dispositivos semiconductores son muy usados en la prctica para medir

temperaturas por su bajo costo y sensibilidad. La propiedad termomtrica de los mismos es laresistencia elctrica. Sin embargo la dependencia con la temperatura no es simple, ya que no

presenta una respuesta lineal.

Su funcionamiento se basa en la variacin de la resistencia de un semiconductor con la

temperatura. Para los termistores NTC (Negative Temperature Coefficient), al aumentar la

temperatura, aumentar tambin la concentracin de portadores, por lo que la resistencia ser

menor, de ah que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC(Positive Temperature

Coefficient), en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, ste adquirirpropiedades metlicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado.

Usualmente, los termistores se fabrican a partir de xidos semiconductores, tales como el xido

frrico, el xido de nquel, o el xido de cobalto.

Sin embargo, a diferencia de los sensores RTD, la variacin de la resistencia con la

temperatura es no lineal. Para pequeos incrementos de temperatura, se darn grandes

incrementos de resistencia. Por ejemplo, el siguiente modelo caracteriza la relacin entre la

temperatura y la resistencia mediante dos parmetros:

, con

Donde:

RTes la resistencia del termistor NTC a la temperatura T(K)

R0es la resistencia del termistor NTC a la temperatura de referencia T0(K)

Bes la temperatura caracterstica del material, entre 2000 Ky 5000 K

El error de este modelo en el margen de 0 a 50 C es del orden de 0.5 C. Existen modelos

ms sofisticados con un mayor nmero de parmetros que dan un error de aproximacin an

menor.


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Ventajas de los Termistores:

Este Sensor es muy sensible y el tiempo de reaccin de este es bajo, debido a la alta

resistividad que presenta, y a la no-linealidad de respuesta.

Dada la alta resistividad de los materiales empleados, es posible disponer de termistores

de tamao reducido.

La sensibilidad de un termistor puede ser bastante elevada, con grandes variaciones de

resistencia ante pequeas variaciones de temperatura.

Desventajas de los Termistores:

El margen de funcionamiento de un termistor es pequeo, generalmente entre los -15 C

y los 115, pudiendo ser ms alto a un costo ms elevado.

La variacin de la resistencia con la temperatura para un termistor no es lineal, por lo

cual es ms difcil definir las temperaturas a medir.

Debido a su pequeo tamao los Termistores son las susceptibles a auto calentamiento,

produciendo errores en la medida.

Para los termistores no hay disponibles curvas de calibracin estndar, variando estas

para cada fabricante.


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4.2.4 Sensores Bimetales:

Estos sensores estn compuestos por dos o ms metales ensamblados. Estos objetos

bimetlicos consisten en capas de diversos metales, que presentan distintos coeficientes dedilatacin trmica.

Uno de los sensores Bimetlicos ms utilizados son los termostatos, que convierten un

cambio de temperatura en un movimiento mecnico, y pueden estar diseados en discos o tiras

metlicas. Estn compuestos por dos capas de metales con diferentes coeficientes trmicos de

expansin, por lo que al variar la temperatura tiende a flexionarse hacia el lado de menor

coeficiente de expansin. Esta disposicin es utilizada disminuye la corriente que circula por el

mismo bimetal, lo calienta y hace que se abra al circuito limitando la corriente mxima.

El mayor inconveniente de ste es que, solo presenta dos estados, abierto, o

cerrado, no pudiendo establecerse una medida de temperatura para ste, por lo que no es

el ms ptimo para esta investigacin.

Como se mencion, la principal desventaja es que solo presenta dos estados, on-off, no

se puede medir la temperatura, solo se activa, o desactiva al pasar una cierta temperatura

definida por el fabricante.


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4.2.5 Sensores Integrados:

Existen gran nmero de fabricantes que producen variados circuitos integrados, los

cuales son muy adecuados para medir temperaturas. Estos circuitos son utilizadosgeneralmente para medir temperaturas cuando se usa un sistema de toma de datos, los cuales

pueden estar conectados en una computadora. Estos circuitos, por lo general tienen tres pines:

tierra, alimentacin (Vc entre 5 a 15V) y una salida. Estos circuitos producen una seal muy

lineal y calibrada. Por lo general producen ente 1 y 10 mV/K. Existen integrados con

calibraciones para diversos sistemas de unidades. El rango usual de estos termmetros se

encuentran normalmente entre los -10C y 120C.

Existen una amplia variedad de circuitos integrados los cuales son sensores detemperatura, estos sensores se agrupan en cinco categoras principales:

Salida de voltaje(LM35, trabaja en base a un diodo).

Salida de corriente(AD590, trabaja en base a transistores).

Salida de resistencia(gran variedad, menos masificados).

Salida digital(LM56, termostato electrnico, de 2 salidas).

Diodos trata de diodos diseados especialmente para medicin de temperatura).

Estos sensores integrados, son de bajo costo, hay gran variedad en el mercado, y

generalmente se pueden calibrar fcilmente, con un error de aproximadamente 0.5 C.

Ventajas de los Sensores Integrados:

Linealidad.

Fcil Calibracin.

Bajo Costo

Trabajan con rangos de voltajes, los cuales permiten fcil interaccin con otros

dispositivos.


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4.3) Seleccin del Sensor.

En el tem anterior se dieron a conocer los diferentes tipos de sensores presentes en el

mercado, y despus de analizar cada uno de los diferentes sensores presentes en el mercado,se optar por sensores de temperatura integrados. A continuacin se darn a conocer los

sensores integrados presente en el mercado, mostrando algunas de sus principales

caractersticas como son: rangos de temperatura, error en la lectura, tipo de encapsulado, y el

tipo de salida, con su respectiva resolucin.

Los siguientes sensores de temperatura cumplen los requisitos de Rango de

temperatura deseados (-10 C a 80 C), con el tipo de encapsulado que se busca, como es el

TO-92, TO-46, SO-8, bien el SOT-23, y adems la salida deseada (mV/C).

Integrados con salida de voltaje:

Sensor Fabricante SalidaTolerancia

(rango)Cpsula Comentarios

AD22100Analog

Devices

22,5mV/C a 5V

250mV offset

2C y

4C

(-50 a+150C)

TO-92

SO-8

Salida proporcional a la

alimentacin - ideal para

ADC del mismo estilo

LM335

National

Semi,Linear

Tech

10mV/K o

10mV/C

1C a

3C

-40C a

100C)

TO-92

TO-46

Opera como un Zener con

entrada para ajuste de

escala, 400A a 5 mA.

LM34 National Semi 10mV/F

3F y 4F

(-20C a

120C)

TO-46

TO-92

SO-8

Necesita una fuente

negativa para

temperaturas < -5C

LM35National Semi 10mV/C

1C y

1,5C

(-20C a

120C)

TO-46

TO-92

SO-8

Necesita una fuente

negativa para

temperaturas < 10C
http://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtml


52/112

51

LM45 National Semi 10mV/C

500mV offset

1C y

1,5C

(-20C a

120C)

TO-46

TO-92

SO-8

LM35 con histresis de

salida 500mV

LM50 National Semi 10mV/C

500mV offset

3C y

4C

(-40C a

125C)

TO-46

TO-92

SO-8

Bajo costo, corrimiento

500mV, fcil de usar

LM60 National Semi 6,24 mV offset

3C y

4C

(-40C a

125C)

SOT-23Acepta alimentacin

inferior a 2,7V

S-8110

S-8120

Seiko

Instruments

-8,5 mV/C

(nota neg. TC)

2,5C y

5C

(-40C a

100C)

SOT-23 Corriente de operacin

muy baja: 10A

TMP36Analog

Devices

10 mV/C

500 mV offset

3C 4C

(-40C a

125C)

TO-92

SO-8

SOT-23

Similar a LM50 con

apagado aut. (no en TO-

92)

FM20 Fairchild -11,77 mV/C

5C

-55C a

130C

SOT23 Bajo consumo

FM50 Fairchild 10 mV/C

3C

-40C a

125C

SOT23 Similar al LM50

(Figura N6, integrados con salida de voltaje).
http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.sii-ic.com/en/product.htmlhttp://www.sii-ic.com/en/product.htmlhttp://www.sii-ic.com/en/product.htmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.sii-ic.com/en/product.htmlhttp://www.sii-ic.com/en/product.htmlhttp://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/


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Integrados con salida de Corriente:

Sensor Fabricante SalidaTolerancia

(rango)Cpsula Comentarios

AD590 Analog Devices 1A/K5,5C y 10C

(-55C a +150C)TO-52

considerar las

corrientes de prdida

del cable

AD592 Analog Devices 1A/K1C y 3,5C

(-25C a +105C)TO-92

Un AD590 ms

preciso

TMP17 Analog Devices 1A/K4C

(-40C a +105C)SO-8

Un AD590

trmicamente ms

rpido

LM134

LM234

LM334

National Semi Programable

0,1A/K a 4A/K

3C y 20C

(-25C a +100C)

TO-46

TO-92

Con calibracin

puede ser efectivo

(cuadro N 7, integrados con salida de corriente).

Integrados con salida digital:

Sensor Fabricante Salida Tolerancia(rango)

Cpsula Comentarios

LM95071 National Semi 14 bit SPI2C

(-45C a 150C)SOT-5

Alta resolucin

(0,03C)

opera con 2,4-5,5V

LM56 National Semi

2 comparadores

con umbral

definible

3C y 4C

(-40C a 125C)

SOP-8

MSOP-8

Termostato con dos

salidas con histresis

LM75 National Semi

I2C Serie,

Resolucin 9 bit

o 0,5C

3C

(-55C a

+125C)

SOP-8

MSOP-8

Conexin

direccionable mltiple.

Especial para

sistemas embebidos
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DS1620

DS1621

National Semi

serie 2 o 3

cables,

resolucin0,5C

0.5C

(0C a 70C)

5C(-55C a 125C)

SOP-8

DIP-8

Adems tiene salidas

de termostado

programadas

digitalmente.Resolucin posible

0,03C

DS1820 Dallas

Serie de 1 cable

Resolucin

0,5C

0,5C

(0C a 70C)

5C

(-55C a 125C)

TO-92

modificada

SSOP-16

Buena tolerancia sin

calibrar, rango mayor

a 0-70C.

DS1821 DallasSerie de 1 cable

Resolution 1C

1C

(0C a 70C)

2C

(-55C a 125C)

TO-92

modificada

TO-220

SO-8

Tiene un modo de

termostato

TCN75 Telcom Semi

Serie I2C,

Resolucin 9 bit

o 0,5C

3C

(-55C a

+125C)

DIP-8

SOP-8

TSSOP-8

Reemplazo del LM75

FM75 Fairchild

SMBus

Resolucin 12bit / 0,07C

4C

-40C a 125C MSOP8

Resolucin variable,

salida con umbral

(Cuadro N8, integrado con salida digital).

Como se puede ver, se seleccion un sensor integrado, con salida de voltaje, de

corriente y digital. Esta seleccin se realiz basndose en el menor rango de error del

integrado, dando como resultado el LM335, AD592, DS1820. Estos tres integrados se

encuentran ampliamente presentes en el mercado, despus de analizar las hojas de datos de

los fabricantes, se puede mencionar que se descarta la utilizacin el DS1820, ya que puedellegar a un tiempo de conversin de cada muestra de 750 mS, lo cual no es admisible para

realizar un control PID, ya que la temperatura est variando constantemente, lo cual retrasara

el tiempo de respuesta del circuito. Por la cual queda como eleccin el sensor LM335 y el

AD592.
http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/telcomsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/telcomsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/telcomsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/


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Debido a que los valores comerciales de ambos son prcticamente similares, (con el

encapsulado TO-92), se optar por un encapsulado metlico, ya que la transferencia de

calor es mayor, acortando el tiempo de respuesta y de medicin del integrado, siendo la

eleccin para este proyecto elLM335H, con encapsulado TO-46.A continuacin se muestran alguna de sus principales caractersticas (para ms informacin,

consultar hoja de datos adjunta, en anexos).

Precisin en la temperatura:

(Cuadro N9, extrado de datasheet del LM335H).

Parmetros elctricos:

(Cuadro N10, extrado de datasheet del LM335H).


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4.4) Conexin del Sensor a la TS-7400.

Como se mencion en el captulo anterior, la TS-7400 presenta una cabecera del 26

pines, y una de 40 pines. El procesador EP9302 incorpora 5 conversores A/D, estando solo 4conversores A/D disponibles en la cabecera de 40 pines.

Se debe tener presente que estos conversores A/D, se pueden trabajar con una precisin de

12 Bits, para lo cual es necesario la seal analgica que entra a este conversor para que tenga

una impedancia menor a 10 Ohm. El conversor A/D desarrollado por Cirrus, puede tomar 925

muestras por segundo.

Tambin se sabe que el sensor de temperatura LM335 tiene una resolucin de 10mV/C, por lo tanto debemos calcular la mnima resolucin con la que puede trabajar el

conversor A/D, siendo de 12 bits, teniendo 4096 muestras. Y debido a que vamos a trabajar

entre 0 y 3,3 volts, podemos decir que:

Resolucin mnima = (3,3 V0 V) / 4096 = 8*10-4 = 0,8 mV 1 m V

Siendo la resolucin mnima del conversor A/D es de aproximadamente 1 mV, por lo

cual no debera presentar ningn problema para leer la temperatura del sensor el cual tiene 10

mV/C. De lo anteriormente sealado, podemos concluir que el sistema podr detectar cambios

de temperatura con una resolucin de un decimal, es decir, el conversor A/D detectar un

cambio de temperatura de 0.1 C. (La temperatura real del sistema estar afecta al error del

sensor de temperatura).

Tambin, es importante tener en cuenta que, es necesario adaptar los niveles de

voltajes entregados por el sensor de temperatura LM335, debido a que se trabajar con rangos

de temperatura que van desde los -10 C, a los 80 C, entregando segn la hoja de datos del

fabricante, los siguientes rangos de voltajes:

Voltaje Mnimo de Salida del sensor = (273 C+ (-10 C) )/ 100 = 2,63 Volts

Voltaje Mximo de Salida del sensor = (273 C + 80 C) /100 = 3,53 Volts.


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Como se puede ver, el voltaje mximo (segn la escala de trabajo), sobrepasa el

voltaje mximo de entrada en el conversor A/D (3,3 Volts), por lo cual ser necesario

disminuir el voltaje entregado por el LM335, para lo cual se implementar un circuito

amplificador operacional configurado en restador, con el fin de restar 1.8 volts, a los voltajesantes sealados. Tambin se optar por trabajar con 1.8 Volts debido a que el ts-7400 presenta

un regulador de 1.8 Volts, extrable desde la cabecera inferior (40 pines), especficamente el pin

N 26. Por lo que al realizar este circuito Amplificador Operacional restador, nos aseguramos a

la vez de que la impedancia que entra al conversor A/D es inferior a 10 .

Quedando los niveles de voltajes en los siguientes rangos:

Voltaje Mn. Salida= (273 C+ (-10 C))/ 100 = 2,63 V - 1.8V = 0.83 V.

Voltaje Mx. Salida= (273 C + 80 C) / 100 = 3,53 V 1.8 V= 2.27 V.

(Recordemos que estos son valores tericos, por lo cual nuestros valores medidos deben

acercarse lo ms posible a estos valores, no necesariamente siendo los mismos que se

calcularon).

La configuracin bsica de un circuito restador es la siguiente:

Donde:

Si utilizamos todas nuestras resistencias de igual valor (en nuestro caso 10 K), se tendr:

Vout = V2 V1

Vout = Vsensor (2,63V- 3,52 V) 1,8 V = (0,83 V 2,27 V)


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Siendo, est el circuito de conexin:

(Figura N5, conexin del sensor a la TS-7400; Elaboracin propia).


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Captulo V

Control PID.


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5.1 INTRODUCCIN

En este captulo se examinar una estructura particular de control, el cual es

universalmente utilizado en la industria. Se trata de la familia de controladores de estructura fija:controladores PID. Estos controladores han mostrado ser estables y extremadamente

beneficiosos en el control de muchas aplicaciones de importancia en la industria.

PID significa:

Proporcional.

Integral.

Derivativo.

Primero se debe mencionar, que el controlador PID, es un dispositivo basado en

hardware y software, que funciona mediante el monitoreo de una seal de error, que es la

diferencia entre los valores establecidos (temperatura deseada) y los valores reales o medidos

que el parmetro a controlar tiene. La combinacin del sistema a controlar y el controlador

empleado tienen una disposicin de lazo cerrado.

El lazo cerrado est continuamente monitoreando la seal de salida para compararla con

la seal de referencia y calcular la seal de error, la cual a su vez, es aplicada al controlador

para generar la seal de control y tratar de llevar la seal de salida al valor deseado( tambin es

llamado control realimentado).

En la actualidad el control PID en la actualidad es ampliamente utilizado, principalmente

para el control de potencia, como motores de induccin, control de nivel de caudal y de presin,

procesos qumicos, entre otros.

Debido al gran auge que ha tomado la utilizacin de este control, se han comenzado a utilizar

herramientas digitales, como los micro controladores, o sistemas embebidos, con el fin de

desarrollar variadas aplicaciones, como por ejemplo este trabajo, en el cual se utilizar este tipo

de control por ser uno de los ms eficientes y completos, que contiene dispositivos de bajo

costo gracias a los que se logra implementar digitalmente este tipo de control.


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Para continuar con esta investigacin es necesario definir ciertos trminos bsicos, como son:

Seal de salida: es la variable que se desea controlar (posicin, velocidad, presin,

temperatura, etc.). Tambin se denomina variable controlada. Seal de referencia: es el valor que se desea que alcance la seal de salida.

Error: es la diferencia entre la seal de referencia y la seal de salida real.

Seal de control: es la seal que produce el controlador para modificar la variable

controlada de tal forma que se disminuya, o elimine, el error.

Planta: es el elemento fsico que se desea controlar. Planta puede ser: un motor, un

horno, un sistema de disparo, un sistema de navegacin, un tanque de combustible, etc.

En nuestro caso es la celda de peltier.

Proceso: operacin que conduce a un resultado determinado. Sistema: consiste en un conjunto de elementos que actan coordinadamente para

realizar un objetivo determinado.

Perturbacin:es una seal que tiende a afectar la salida del sistema, desvindola del

valor deseado.


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5.2) ESTRUCTURA PID.

Para comprender el funcionamiento de un controlador PID, se muestra a continuacin un lazo

bsico de control:

(Figura N 6, elaboracin propia).

Donde:

R(s): es la seal, o valor de referencia deseado.

E(s): es la seal de error, entre el valor deseado y el valor medido.

Y(s): es el valor medido.

U(s): corresponde al voltaje producido por el controlador para disminuir o anular el error.

K(s): es el proceso de control PID.

Por lo tanto se debe calcular y comprender todas las variables. Proporcionales,

Integrales, y Derivativas, para as realizar los clculos de este proceso PID, por lo que se

deber explicar a continuacin, cada uno de estos controles:

Control Proporcional:

El trmino proporcional (a veces llamada ganancia),realiza un cambio en la salida que

es proporcional al valor actual de error. La respuesta proporcional se puede ajustar al

multiplicar el error por una constante K p,llamada la ganancia proporcional.

El trmino proporcional est dado por:

Donde:

Kp: Constante proporcional (llamado en ocasiones ganancia).

e: error entre el valor deseado y el valor medido.


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t: tiempo instantneo (actual).

Si la ganancia proporcional es demasiado alta, el sistema puede volverse inestable. Por el

contrario, si la ganancia proporcional es demasiado baja, la accin de control puede ser

demasiado pequea, al responder a las perturbaciones del sistema.

Control Integral:

La contribucin del trmino integral (a veces llamado reset) es proporcional a la

magnitud del error y a la duracin del error. En resumen, el error instantneo a lo largo del

tiempo (la integracin de los errores) da el acumulado de compensacin que debera haber sido

corregido con anterioridad. El error acumulado se multiplica por la ganancia integral y se aadea la salida del regulador. La magnitud de la contribucin del trmino integral a la medida de

control general est determinado por la ganancia integral, K i.

El trmino integral est dado por:

Donde:

- Ki: ganancia integral

- e: error entre el valor deseado y el valor medido.

- t. tiempo instantneo (actual).

- : una variable ficticia de integracin

El trmino integral (cuando se aade al trmino proporcional) acelera el movimiento del proceso

hacia el punto de ajuste, eliminando el error residual en estado estacionario que se produce con

un nico controlador proporcional. Sin embargo, dado que el trmino integral responde a los

errores acumulados en el pasado, puede hacer que el valor actual, sobrepasa el valor del punto

de ajuste.


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Control Derivativo:

La accin derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error;(si el error es constante, solamente actan los modos proporcional e integral). Oro aspecto a

mencionar es que la tasa de variacin del error de proceso se calcula mediante la

determinacin de la pendiente del error en el tiempo, es decir, su primera derivada con respecto

al tiempo, y multiplicando este tipo de cambio por la ganancia derivada de K d.

El trmino derivado es dada por:

Donde:

K d:ganancia derivada, un parmetro de ajuste.

e:error entre el valor deseado, y el valor medido.

t:tiempo instantneo (el presente).

La funcin de la accin derivativa es mantener el error al mnimo corrigindolo

proporcionalmente con la misma velocidad que se produce, entonces de esta manera evita que

el error se incremente. Esta ecuacin se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una

constante Dy luego se suma a las seales anteriores (P+I).

Por lo tanto el trmino derivativo disminuye la tasa de cambio de la salida del controlador. Este

efecto es ms notable cerca de la consigna del controlador. Por lo tanto, el control de derivativo

se utiliza para reducir la magnitud del rebasamiento producido por el componente integral ymejorar la estabilidad combinada del controlador del proceso. Sin embargo, la diferenciacin de

una seal amplifica el ruido y por lo tanto este trmino en el controlador, es muy sensible al

ruido en el trmino del error, y puede causar un proceso que se vuelva inestable, si el ruido y la

ganancia de derivativos fuesen son suficientemente grandes.


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Cuando el tiempo de accin derivativo es grande, hay inestabilidad en el proceso. Cuando

el tiempo de accin derivada es pequeo, la variable oscila demasiado con relacin al valor

deseado. Suele ser poco utilizada, debido a la sensibilidad al ruido que manifiesta y a las

complicaciones que ello conlleva.

Es necesario destacar que, el tiempo ptimo de accin derivativa es el que retorna la variable al

punto de consigna con las mnimas oscilaciones.

5.3) VARIABLES A CONSIDERAR.

Se sabe que la principal variable a controlar por el sistema de control PID es la

temperatura deseada, pero no se debe olvidar que la respuesta de este sistema de control est

determinada por las constantes o ganancias: proporcional, integral y derivativa. Los trminos

proporcionales, integrales y derivativos se suman para calcular la salida del controlador PID,

estos trminos son los siguientes:

Kp: ganancia proporcional.

Ki: ganancia integral. K d:ganancia derivativa.

Adems, la velocidad y respuesta de este control va a estar determinado por las variables antes

mencionadas, por lo cual es muy importante su clculo, y el valor de las variables est

determinado por el medio en el cual se desarrolle el control PID. Para obtener un ptimo

sistema de control PID, estas constantes deben estar en proporcionalidad entre s.

Con el fin de calcular esta proporcionalidad existen diferentes mtodos de ajuste emprico de

controladores PID, basados en mediciones realizadas sobre la planta real. A continuacin se

darn a conocer uno de ellos, el mtodo de Ziegler-Nichols, el cual ser utilizado en el clculo

de las variables PID del proyecto.


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a) Mtodo de Ziegler- Nichols:

Este mtodo fue desarrollado en la dcada de 1940 por Joh n G. Zieglery Nathaniel B.

Nichols. Donde en un comienzo las constantes, o ganancias K i(integral), y K d (proporcional),se ponen a cero, ya que deduce que el valor de Kpest en la estabilidad, cuando slo se usa la

accin de control proporcional.

Reglas de Ziegler-Nichols para sintonizar controladores PID:

Ziegler y Nichols propusieron reglas para determinar los valores de la ganancia

proporcional Kp, del tiempo integral Tiy del tiempo derivativo Td, con base en las caractersticas

de respuesta transitoria de una planta especifica. Tal determinacin de los parmetros de loscontroladores PID o de la sintonizacin de los controles PID la realizan mediante experimentos

sobre la planta.

Hay dos mtodos para calcular la sincronizacin de las constantes PID, el primero es de lazo

abierto, y el segundo de lazo cerrado, ya que nuestro s

Rediseño y Construcción de Un Termo-estimulador

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