Termocupla + Conversor VC y CV

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SEGUNDO PARCIAL

Ronnie Esparza Wilson Sigcha Departamento de Elctrica y Electrnica

Instrumentacin y Sensores 2167

09 de julio del 2015

INFORME PROYECTO FINAL DE INSTRUMENTACIN Y SENSORES DEL SEGUNDO PARCIAL.

1. Objetivos

1.1. Objetivo General

Implementar un circuito de medicin de temperatura de 20 a 90C con todos los

temas vistos durante el segundo parcial y presentar el resultado mediante un LCD.

1.2. Objetivos Especficos

Disear e implementar un circuito medidor de temperatura, tomando como

sensor principal a la termocupla.

Implementar un circuito que contenga mltiples etapas, las cuales incluyen: un

circuito amplificador de instrumentacin, una adecuacin lineal de la seal del

sensor principal (termocupla) con ayuda de los amplificadores operacionales y

el sensor de temperatura LM35, transmitir la seal por medio de un circuito

conversor de voltaje a corriente, revertirlo y utilizar la conversin analgica-digital

de la seal (con Arduino) para finalmente presentar la temperatura medida por

medio de un LCD.

Disear los circuitos antes mencionados con ayuda de los amplificadores

operacionales LM-741 para observar sus mltiples aplicaciones dentro de la

Electrnica y los circuitos de los sensores.

2. Materiales y Equipos

A continuacin se mencionan los materiales y equipos que se necesitan para la

implementacin de cada una de las etapas del circuito medidor de temperatura:

Instrumentacin y Sensores ESPE / Esparza Ronnie Sigcha Wilson / Informe Trabajo Final Segundo Parcial

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2.1 Materiales:

2.1.1 Sensor Principal:

Termocupla tipo J.

2.1.2 Amplificador de Instrumentacin:

Amplificador Operacional: LM-741 ( 3).

Resistencias: 330 (4), 100 ( 1).

Potencimetro de Precisin: 10 K ( 2) y se calibran en 9.61 k.

2.1.3 Sumador de Temperatura Ambiente:


Resistencias: 10 k (3).

Sensor LM35.

2.1.4 Adecuacin de la seal de 1 a 5 voltios:


Resistencias: 10 k (4).

Potencimetro de Precisin: 50 K ( 1) y se calibra en 47.15 k.

2.1.5 Conversor de voltaje a corriente


Resistencias: 100 ( 1).

Potencimetro de Precisin: 1 K ( 4) y se calibran en 250 .

2.1.6 Conversor de corriente a voltaje:


Potencimetro de Precisin: 1 K ( 1) y se calibra en 250 .

2.1.7 Conversin analgica Digital:

Arduino UNO (x1).

LCD (2X16) (x1).

Protoboard.

Cables para conexiones: Utp o de timbre.

2.2 Equipos:

Fuente de alimentacin: 12 V, 5 V, 3 V.

Multmetro.


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Computador

3. Marco Terico

Como en informes anteriores se ha hablado de cada una de las etapas del circuito

medidor de temperatura, en este caso se describir de forma breve la funcin que

cumple cada uno dentro del circuito:

3.1. Sensor Principal: se trata de la termocupla (de tipo J). Este es un sensor que a la

temperatura que mide le quita la temperatura ambiente.

3.2. Amplificador de Instrumentacin: debido a que la seal de la salida de termocupla

es demasiado pequea y no es lineal, se ha tomado el rango de temperatura de 20 a

90C para tomarlo como una escala lineal. Este circuito ayuda a la amplificacin de

esta pequea seal y la pasa a una escala de aproximadamente 10 mV/C.

3.3. Sumador de Temperatura Ambiente: Como se mencion anteriormente la

termocupla a lo que mide le quita la temperatura ambiente, por lo tanto si se quiere una

medicin acertada hay que sumarle la temperatura ambiente, el mejor sensor para ello

es el LM35 el cual tiene una escala lineal de 10 mV/C, es por esto que se debi tratar

antes la seal de la termocupla.

3.4 Adecuacin de la seal de 1 a 5 voltios: Con el fin de poder efectuar una conversin

de voltaje a corriente para la transmisin de la seal de salida, debido a que la

transmisin se efecta de 4 a 20 mA, como se sabe la corriente depende del voltaje,

por lo que no se puede transformar 0 voltios a 4 mA.

3.5 Conversor de voltaje a corriente: A continuacin se desea transmitir la seal de

voltaje a una cierta distancia, para ello por norma se lo hace a una escala de 4 a 20

mA.

3.6 Conversor de corriente a voltaje: Una vez que se ha logrado transmitir la seal con

xito, se necesita convertir esa seal analgica en una digital para su tratamiento y esto

se lo hace de acuerdo a niveles de voltaje, por lo que es necesario reconvertir la seal

de corriente a la de voltaje original.

3.7 Conversin analgica Digital: La parte final del trabajo es mediante Arduino utilizar

la conversin analgica digital para mostrar la temperatura medida con ayuda de un

LCD.


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4. Clculos y Diseo

4.1. Sensor Principal:

De acuerdo con la hoja de datos de la termocupla tipo J:

Es decir que el voltaje de salida para la escala de 20 a 90C ser de 0.051771275

.

4.2. Amplificador de Instrumentacin:

Como se mencion anteriormente hay que adecuar la escala de la seal de salida de

la termocupla a 10

, por lo que:

0.051771275 (x) = 10

= 193.16

Es decir hay que darle una ganancia de aproximadamente 193,16.


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La ganancia del circuito amplificador de corriente est dada por la ecuacin:

= (1 + 21

)

Como se busca una ganacia de 193.16 y fijando Rg =100 .

193.6 = (1 + 21

100)

= . []

Finalmente se fijarn los valores de R2 = 330 .

4.3. Sumador de Temperatura Ambiente:

Se utilizar un sumador inversor:

Como se desea simplemente sumar la seal de la termocupla ajustada a la misma

escala del LM35, lo que se hace es que = = = . Donde 1 es el voltaje de

salida del amplificador de instrumentacin y es el voltaje de salida del LM35.

4.4 Adecuacin de la seal de 1 a 5 voltios:

Para adecuar la seal, como ya se tiene una escala lineal se efecta la ecuacin de la

forma y=mx+b:

x y

0.2 1

0.9 5

= +

=5 1

0.9 0.2=

40

7


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5 = 0.940

7+

= 1

7

Por lo tanto la ecuacin para adecuar el voltaje es: =40

7 0.14

Esta ecuacin se la implementa utilizando un amplificador operacional en

configuracin amplificador inversor para m y para b se utiliza un sumador inversor.

4.5 Conversor de voltaje a corriente:

Al conectar 2 a tierra y siendo 1 = 1 se tiene el circuito de la figura y la corriente de

carga est determinada por:

=

Como y 1 son valores conocidos, lo que queda es despejar , entonces:

=

As para una corriente mnima de 4mA y un voltaje de 1 V:

=

=1

4 103= 250

Y para una corriente mxima de 20mA y un voltaje de 5 V:

=

=5

20 103= 250


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Como no existe problema en los rangos de corriente (el clculo de la resistencia es la

misma), la resistencia = .

4.6 Conversor de corriente a voltaje:

Para el clculo de Vo se realiza una simple ley de Ohm, en donde V=I x R, entonces:

=

Como vara de 4 a 20mA, con su correspondiente voltaje de salida de 1 a 5 voltios,

por lo tanto se desea calcular R, por lo que la frmula queda:

=

Para = 4 :

=

= 250

Para = 20 :

=

= 250

Como no existe problema en los rangos de corriente (el clculo de la resistencia es la

misma), la resistencia = .

4.7 Conversin analgica Digital:

Para la conversin analgica digital y presentacin en el LCD se utilizar el siguiente

cdigo de Arduino:

5. Simulacin e Implementacin


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5.1. Simulacin:

R3

9.61k

R4

9.61k

R5

330

R6

330

R7

330

R8330

13.00

+

-

CJ

TC1TCJ

R1100

U1(V-)VALUE=-12

U2(V-)VALUE=-12

U2(V+)VALUE=12

U3(V-)VALUE=-12

U3(V+)VALUE=12

U1(V+)VALUE=12

3

2

6

74

15

U1

LM741

3

2

6

74

15

U2

LM741

3

2

6

74

15

U3

LM741

TERMOPAR - AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN

Ganancia=193.1573 Temp_out=Temp_juntura - T_ambiente

V_out1

+88.8

mV

+88.8

mV

+88.8

Volts

+88.8

Volts


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3

2

6

74 8

1

U4

OP07

27.0

3

1

VOUT2

U6

LM35

R2

10k

R9

10k

R10

10k

SUMANDO TEMPERATURA AMBIENTE CON LM35

Temp_out=Temp_juntura - T_ambiente + T_ambiente

V_OUT2

U4(V-)VALUE=-12

U4(V+)VALUE=12

+88.8

mV

U6(+VS)VALUE=5

V_out1

+88.8

mV


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U7(V-)

U8(V-)

U7(V+)

U8(V+)

R13

10k

R14

10k

R15

47.15k

R16

10k

+88.8

VoltsR17

10kR17(1)

VALUE=140m

3

2

6

74

15

U7

LM741

3

2

6

74

15

U8

LM741

ECUACION DE LINEALIZACION 1 V A 5 V

Y = - (40/7) X +0.14

V_out2

+88.8

Volts

V_CORR

3

2

6

74

15

U5

LM741

U5(V-)

U5(V+)

R11

250

R12250

+88.8

mA

R18

100

R19

250

R20

250

CONVERSOR VOLTAJE A CORRIENTE

V_CORR

3

2

6

74

15

U9

LM741

U9(V+)

U9(V-)+88.8

Volts

R21

250

CONVERSOR CORRIENTE A VOLTAJE


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Esquema completo:

5.2. Implementacin:

R3

9.61k

R4

9.61k

R5

330

R6

330

R7

330

R8330

13.00

+

-

CJ

TC1TCJ

R1100

U1(V-)VALUE=-12

U2(V-)VALUE=-12

U2(V+)VALUE=12

U3(V-)VALUE=-12

U3(V+)VALUE=12

U1(V+)VALUE=12

3

2

6

74

15

U1

LM741

3

2

6

74

15

U2

LM741

3

2

6

74

15

U3

LM741

3

2

6

74 8

1

U4

OP07

27.0

3

1

VOUT2

U6

LM35

R2

10k

R9

10k

R10

10k

U7(V-)

U8(V-)

U7(V+)

U8(V+)

R13

10k

R14

10k

R15

47.15k

R16

10k

+88.8

VoltsR17

10kR17(1)

VALUE=140m

3

2

6

74

15

U7

LM741

3

2

6

74

15

U8

LM741

TERMOPAR - AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN

Ganancia=193.1573

SUMANDO TEMPERATURA AMBIENTE CON LM35

PRACTICA TERMOCUPLA - LM35 - AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION

ECUACION DE LINEALIZACION 1 V A 5 V

WILSON SIGCHA - RONNIE ESPARZA

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE

INSTRUMENTACION Y SENSORES

Y = - (40/7) X +0.14

Temp_out=Temp_juntura - T_ambiente + T_ambienteTemp_out=Temp_juntura - T_ambiente

V_out1

V_out2

V_OUT2

U4(V-)VALUE=-12

U4(V+)VALUE=12

+88.8

mV

+88.8

mV

+88.8

mV

U6(+VS)VALUE=5

V_out1

+88.8

mV

+88.8

Volts

3

2

6

74

15

U5

LM741

U5(V-)

U5(V+)

R11

250

R12250

+88.8

mA

R18

100

R19

250

R20

250

CONVERSOR VOLTAJE A CORRIENTE

V_CORR

V_CORR

3

2

6

74

15

U9

LM741

U9(V+)

U9(V-)+88.8

Volts

R21

250

CONVERSOR CORRIENTE A VOLTAJE

+88.8

Volts

+88.8

Volts


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6. Conclusiones y Recomendaciones

La termocupla es un sensor que a lo que mide le quita la temperatura ambiente,

por lo tanto si se quiere una medicin real se le debe sumar otra seal que

corresponda a la temperatura ambiente, sin embargo se debe cuidar que ambas

tengan la misma escala.

Por lo anterior mencionado en muchos casos es necesario adecuar la seal, para

poder tratarla, esto se lo puede hacer mediante mltiples circuitos, los cuales

utilizan amplificadores operacionales para su implementacin.

Se debe tener mucho cuidado al tener voltajes demasiado pequeos, ya que

pueden quedar muy por debajo de los valores detectables por los circuitos

integrados utilizados en la prctica.

Para transmitir una seal de 0 a 5 voltios utilizando corriente y adecuarla de 4 a

20 miliamperios resulta imposible con 0 voltios, por lo tanto hay que adecuar

primero al voltaje de entrada a un rango de 1 a 5 voltios.

En ocasiones, cuando un sensor debe ser conectado con alambres a un circuito

que se encuentra a una distancia de varios metros, una alternativa que permite

reducir el efecto atenuador de la resistencia de los alambres es transmitir la seal

usando corriente en lugar de voltaje para lo cual se utiliza la conversin de voltaje

a corriente.

Hay que tomar en cuenta que al momento de transmitir la seal con corriente, el

lado receptor convierte de nuevo la seal a una de voltaje.

Con la conversin analgica-digital se muestrea una seal de voltaje para

asignarle ciertos valores digitales para que posteriormente puedan ser

manipulados, como por ejemplo mostrando resultados de las mediciones en un

LCD.

7. Bibliografa

Coughlin Frederick, R. F. (2000). AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS

INTEGRADOS LINEALES. Mxico: PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA.

Web-site: http://www.ece.uprm.edu/~mtoledo/5205/Docs/vi_conv.pdf

Web-site: https://en.wikibooks.org/wiki/Circuit_Idea/Op-amp_Inverting_Voltage-

to-Current_Converter

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