UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

“LABORATORIO DE TRANSDUCTORES Y CONTROLADORES DE TEMPERATURA”

PROFESORA:

MARTINEZ TAPIA, PATRICIA

INTEGRANTES:

SAMUEL ESPINOZA BENITES MIGUEL GOMES CASTILLO JOSE RIOS TORRES

2012 – I

I. INTRODUCION

Hoy en día, la automatización de operaciones unitarias en la mayoría de procesos industriales es una tecnología muy aplicada, de manera esencial, en el control preventivo de éstas operaciones. En la industria de alimentos esta herramienta es muy útil, debido a que nos permiten tener un mayor control de aquellas variables del proceso que tienen relación directa en el desarrollo de la cadena productiva y en las características finales del producto.

Así mismo, un ejemplo de herramienta de automatización son los controladores de temperatura, los cuales controlan las operaciones unitarias donde intervenga la transferencia de calor, como procesos de enfriamiento y calentamiento. Para el caso de calentamiento, los procesos de pasteurización, cocción, escaldado, esterilización y tratamientos UHT necesitan ser controlados en la variable temperatura con la utilización de controladores, debido a que estos indican el instante en que el producto alcanza la temperatura deseada, llevando esa operación a su fin. Para el caso de operaciones donde se requiere mantener una cadena de frío, también es esencial el uso de controladores de temperatura, así como en el calentamiento, pues estos detectan cualquier variación en la temperatura de una cámara de refrigeración o congelación, túnel de frío, etc.

En el mercado, existen diversos sensores de temperatura, cada cual con ventajas y desventajas, así como niveles de exactitud.

Los objetivos de la presente práctica fueron:

- Conocer el uso de transductores y controladores de temperaturas.

2

- Analizar los transductores de temperatura y los circuitos de acondicionamiento.

- Controlar automáticamente la temperatura con el controlador PID.

II. REVISION DE LITERATURA

2.1.SISTEMAS DE CONTROL

Poma et. al. (2007) dice que los sistemas de control son una combinación de

elementos conectados entre sí, y que de manera individual no podrían realizar

un proceso industrial. Un sistema de control cuenta con 3 elementos:

1. El controlador, es el cerebro del sistema, y por ende proporciona la

inteligencia para el sistema de control, como un controlador lógico

programable (PLC), una computadora análoga o digital, etc. 

2. Los actuadores o transductores de salida, se comportan como los

músculos del sistema de control, en el ejemplo anterior, son las

resistencias eléctricas que permite aumentar el valor de la variable

temperatura, las válvulas, las bombas, etc.

3. Los sensores o transductores de entrada, tienen una función similar a

los sentidos del ser humano, miden el valor de las variables relacionados

a esas funciones, en un proceso industrial

2.2.CONTROL DE TEMPERATURA

Los problemas de control de la temperatura son en realidad problemas de

transferencia de calor, cualquiera que sea el mecanismo: radiación, conducción

o convección, por lo que es necesario examinar las características generales

3

del circuito de temperatura. Dependiendo del proceso, el controlador de

temperatura tendrá elementos dinámicos importantes en el proceso como: la

capacidad calorífica, el retraso en el bulbo de temperatura, etc. para poder

establecer el control del sistema (Shinskey, 1996).

2.3.CONTROLADORES PID

Es un controlador que combina las siguientes acciones:

Proporcional: aquella en que el elemento final de regulación efectúa, con

referencia a una posición inicial correspondiente a una señal de error

nula, un movimiento o carrera proporcional a la magnitud de la desviación.

El factor de proporcionalidad es ajustable.

Integral (Reset): acción correctora, proporcionada por el modo de

regulación flotante de velocidad proporcional, se superpone a la acción

proporcional. No se necesita la operación manual de reajuste, después de

un cambio de carga o de un cambio en el punto de consigna, puesto que

la acción integral la efectuara de forma automática, es por ello que

también se le denomina reajuste automático.

Derivativa (Rate): es aquella en que la posición del elemento final de

regulación adopta, con relación a una posición original correspondiente a

una desviación constante, un desplazamiento instantáneo proporcional a

la velocidad de cambio de la desviación; esto es, a la pendiente de la

señal de medida.

Es así como la acción proporcional corregirá la posición de la válvula en una

cuantía proporcional a la desviación, la acción integral moverá la válvula a una

velocidad proporcional a la señal de error o desviación y la acción derivativa

corregirá la posición de la válvula en una cantidad proporcional a la velocidad

de cambio de la desviación (Roca, 1999).

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2.4.TRANSDUCTORES

Según Mompín (1982) los transductores eléctricos de temperatura utilizan

diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales

figuran:

1. Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia).

2. Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).

3. f.e.m creada en la unión de dos metales distintos (termopares).

4. Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de

radiación).

5. Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un

gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.)

Con relación a los transductores de temperatura, Mompín (1982) señala lo

siguiente:

Termómetros de resistencia: el material que forma el conductor se

caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia”

que expresa, a una temperatura especificada, la variación de la

resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su

temperatura.

Termistores: son semiconductores electrónicos con un coeficiente de

resistencia negativo de valor elevado y que presentan una curva

característica lineal tensión – corriente siempre que la temperatura se

mantenga constante.

5

Transductor: Es un dispositivo que realiza la conversión de una

magnitud física en otra.

3.5. Instrumentos para medición de temperatura

Termómetro de Vidrio:Este tipo de instrumento es el más conocido. Consta de un tubo de vidrio

hueco, con un depósito lleno de un fluido muy sensible volumétricamente a los

cambios de temperatura. Dependiendo del fluido usado, tendremos diferentes

rangos de temperatura para este tipo de instrumento, los cuáles, vendrán

limitados, por los puntos de solidificación y de ebullición de fluidos como:

- Mercurio (tubo de gas) -35 a 450 °C

- Pentano -200 a 20 °C

- Alcohol -110 a 50 °C

- Tolueno -70 a 100 °C

Termómetros Bimetálicos:Al igual que el termómetro de vidrio, utilizan el fenómeno de cambios

volumétricos, para su funcionamiento. El termómetro bimetálico, consta, como

su nombre lo dice, de dos barras metálicas de diferentes metales unidas

rígidamente, al ser estos materiales diferentes, tendrán necesariamente, que

tener diferentes coeficientes de dilatación lineal.

Esta diferencia produce una curvatura de la barra conjunta, debido a que un

material sé elongará más que el otro. Mediante este método, funcionan la gran

mayoría de los termostatos (interruptores de temperatura) y algunos

termómetros indicadores locales.

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Termopares:El termopar se basa en el principio, del efecto que fuera descubierto en 1821

por Seebeck, que establece que cuando la unión de dos materiales diferentes

se encuentra a una temperatura diferente que la del medio ambiente, a través

de esos materiales circulará una corriente.

El uso de termopares en la industria se ha popularizado, ya que son altamente

precisos y muchos más económicos que las termorresistencias.

Existen muchos métodos para realizar mediciones prácticas de temperatura.

De todos ellos, unos fueron desarrollados para aplicaciones particulares

mientras que otros han ido cayendo en desuso.

Las termocuplas constituyen hoy en día el sistema de medición de temperatura

más usado y de mejor acceso.

Cuadro 1: Ventajas y desventajas de los diferentes sensores de temperatura

RTD Termistor Termopar

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VENTAJAS

- Más estable.

- Más preciso.

- Más lineal que los

Termopares.

- Alto rendimiento

- Rápido

- Medida de dos

hilos

- Autoalimentado

Robusto

- Económico

- Amplia variedad

de formas físicas

- Amplia gama de

Temperaturas

DESVENTAJAS

- Caro.

- Lento.

- Precisa fuente de

alimentación.

- Pequeño cambio

de resistencia.

- Medida de 4 hilos.

- Autocalentable

- No lineal.

- Rango de

temperaturas

limitado.

- Frágil.

- Precisa fuente de

alimentación.

- Autocalentable

- No lineal

- Baja tensión

- Precisa

referencia.

- El menos

estable.

- El menos

sensible.

Fuente: Mc. Farlane (1997)

Cuadro 2: Características de termopares.

Tipo Rango Tolerancia Características

Hierro-Cobre-Níquel

(Fe-Constantán)0 a 500ºC

3ºC (<300ºC)

1% (>300ºC)

Necesita protección

contra la humedad

Tipo J

Cobre-Cobre-Níquel-100 a 400ºC

1ºC (<100ºC)

1% (>100ºC)

Recomendado para

rangos bajo cero(Cu-Constantán)

Tipo T

Cromel-Alumel 0 a 1000ºC 3ºC (<400ºC) No adecuado para

(NiCr-NiAl)

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Tipo K

Platino-Platino-Rodio

Tipo K0 a 1400ºC

1ºC (<1100ºC)

2ºC (>1100ºC)

No necesita funda

Metálica

Fuente: Bentley (1984) citado por Mc. Farlane (1997)

3.6. Descripción de la unidad módulos G34A/EV y TY34/EV

En la unidad de temperatura TY34/EV se halla montada una plancha de

aluminio sobre la que se realiza el proceso térmico, lo que permite obtener

temperaturas elevadas con una potencia de calentamiento limitada. Esta

unidad está provista también de actuadores térmicos: una resistencia eléctrica

y un ventilador.

La plancha de aluminio está provista de enchufes para la conexión de los tres

tipos de transductores de temperatura usados en la industria (PTC, termistor,

termorresistencia y termopar); en la misma se encuentran también el

alojamiento para el termómetro de mercurio con el que se medirá la

temperatura de referencia necesaria para determinar la calidad del control de

temperatura.

III. MATERIALES Y METODOS

3.1.Material requerido- Modulo G34/EV que consta de 10 circuitos, siendo los principales:

- Set point

- Amplificador de error

- Acondicionadores de señal de transductor

- Controlador PID

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- Amplificadores de potencia con TRIAC para alimentar los componentes

calefactores

- Amplificador de transitores bipolares BJT para alimentar el ventilador de

refrigeración

La predisposición del set-point (de temperaturas) se realiza a través de un

potenciómetro relativo y una referencia de tensión interna. Los transductores de

temperatura se encuentran en la unidad exterior modulo TY34/EV y son:

- Transductor de temperatura de semiconductor (STT)

- Termistor (NTC)

- Termorresistencia (RTD)

- Termopar de tipo J

- Fuente de alimentación +12V

- Fuente de alimentación 24V ca 4 A

- Multímetro digital

3.2.Preparación del módulo- Conectar los transductores al modulo G34/EV, insertando los enchufes

DIIN en las tomas correspondientes

- Insertar los cuatro transductores y el termómetro de mercurio en los

orificios correspondientes de la unidad TY34/EV

- Conectar los bujes HEATER y COOLER del modulo G34/EV con los

bujes HEATER y COLER de la unidad TY34/EV

- Conectar entre si los bujes 2,3 y 10

- Conectar entre si los bujes 5 y 6

- Conectar entre si los bujes 9 y 11

- Conectar entre si los bujes 4 y 23

- Posición desviadores:

Sección TEMPERATURE METER: posición STT

Sección COOLER POWER AMPLIFIER: posición AUT

Sección STT: posición ON

Sección RTD: posición ON

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Verificación De funcionamiento: control de temperatura en lazo cerrado- Alimentar el modulo

- Plantear con P1 (SET POINT) una temperatura de 100ºC. La

temperatura planteada se visualiza mediante TEMPERATURA METER

con 100

- Esperar unos diez minutos para permitir que la unidad TY34/EV alcance

la temperatura planteada y se establezca

- Desconectar la entrada 10 de TEMPERATURE METER del buje 3 y

conectarla al buje 4

- Verificar que los indicadores sea 100±2%

- Comparar los valores de temperatura proporcionados por cada

transductor y controlar que no se verifiquen desplazamiento superiores a

los 5ºC

Efectuar las operaciones siguientes:

- Acoplar el transductor de silicio al propio condicionador de señales

- Conectar la salida del bloque “SET-POINT” borne 2 con la entrada del

bloque “ERROR AMPLIFTER” borne 3.

- Conectar la salida del “PID CONTROLLER” con la entrada del

“HEALTER AMPLIFIER”

- Conectar la salida “HEATER” del “POWER AMPLIFIER” con las

resistencias del horno

- Conectar la salida “COOLER” del “HEATER AMPLIFIER” con el

ventilador de la unidad TY 34/EV

- Llevar la conexión de alimentación de potencia c.a (24 + 24 V ac) hasta

el bloque “POWER AMPLIFIER”

- Conectar la salida del acondicionador de señales con la entrada

“Feedback” del bloque “ERROR AMPLIFIER”

- Conectar en cortocircuito el borne 5 con el 6, y desplazar los cursores de

los potenciómetros P2 y P3 del “PID CONTROLLER” (ubicados en el

exterior del panel) hasta la mitad de su recorrido

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- Conectar el multímetro con la salida del acondicionador de señales,

programándolo en la escala de 20V cc. Si se dispone de un registrador

Y-t, conectar la entrada Y a la misma salida

- De este modo, se acaba de realizar el esquema de la Figura 1.

Suministrar las tensiones de alimentación y verificar que la tensión dada por la

fuente de potencia sea de 24 + 24 V ca.

Fig. 1.- Módulo G34/EV

IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES

Cuadro 3: Registro de temperaturas del set point y los sensores.

Set Point SIT NTC RTD TERMOCUPLA TERMÓMETRO DE Hg

30 29 29 29 33 30

12

40 40 40 38 41 3850 43 42 46 48 4960 52 51 55 55 5270 61 60 62 62 5880 74 73 77 76 7090 78 80 81 80 77100 91 89 92 90 86110 98 95 97 95 93

RTD Los materiales más comunes para la fabricación de RTD's son el platino, el

niquel y el cobre y en algunas aplicaciones a bajas temperaturas (alrededor de

los 20oK) el Rodio.

Las características que deben tener los materiales empleados son:

1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia (sensibilidad).

2. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la temperatura mayor será la

variación por grado.

3. Relación lineal temperatura-resistencia.

4. Rigidez y ductilidad.

5. Estabilidad de las características en la vida útil.

Las características cualitativas más importantes de los metales empleados para

la construcción de RDT's se tabulan a continuación:

Una desventaja del uso de RTD's, es que se deben emplear corrientes que

circulen a través de ellos lo suficientemente pequeñas para evitar el

autocalentamiento.

Un dato técnico importante es el llamado constante de disipación que indica la

potencia requerida para elevar la temperatura un grado (cualquier escala). Una

constante de disipación de 25 mW / oC muestra que la pérdida de potencia en

un RTD igual a 25 mW y el RTD se calentará 1oC.

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El autocalentamiento se calcula a partir de la expresión

DT = P/PD

Donde:

DT = diferencia de temperatura (autocalentamiento).

P = potencia disipada en el RTD en Watts.

PD = Constante de disipación en W / °C.

Mc Farlane (1997) señala que para lograr una precisión mayor de décimas es

necesario emplear los Termómetros de Resistencia de Platino o sus siglas en

ingles PRT, por lo cual el sensor de temperatura RTD es el que presenta los

valores más próximos a las temperaturas establecidas como set points. Los

RTDs son populares por su excelente estabilidad y muestran la señal más

lineal con respecto a la temperatura de cualquier sensor electrónico de

temperatura (National Instruments, 2011).

Los RTDs están compuestos por una de las dos configuraciones de

manufactura. Los RTDswire-wound se construyen al enrollar un cable delgado

en una turbina. Una configuración más común es el elemento de película

delgada, el cual consiste en una capa muy delgada de metal puesta sobre un

estrato de plástico o cerámica. Los elementos de película delgada son más

baratos y ampliamente disponibles ya que pueden alcanzar resistencias

nominales más altas con menos platino. Para proteger el RTD, una cubierta de

metal cubre al elemento RTD y los cables conectados a él. (National

Instruments, 2011).

V. CONCLUSIONES

El medidor de temperatura RTD es más exacto que los medidores de

Termopar J y NTC.

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El RTD ofrece un buen control frente a la variación de la resistencia en

función de la temperatura.

VI. BIBLIOGRAFIA

MC FARLANE ,I. 1997. La automatización de la fabricación de

alimentos y bebidas. Madrid Vicente Ediciones.

NATIONAL INSTRUMENTS.Ni Developer Zone.Medir Temperatura con

un RTD o Termistor. Sitio Web Disponible:

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/9336 Consultada el 30 de Junio

del 2012

UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA. 2001. Laboratorio

de Electrónica Anexo 1: Transductores. Departamento de electrónica.

Chile. Consultado el 30 de junio del 2012. Disponible en:

www.elo.utfsm.cl/~elo109/anexo.doc.

CUESTIONARIO

1. ¿QUÉ SENSOR TUVO MAYOR PRECISIÓN?, EXPLIQUE

Como se mencionó anteriormente:

Mc Farlane (1997) señala que para lograr una precisión mayor de décimas es

necesario emplear los Termómetros de Resistencia de Platino o sus siglas en

ingles PRT, por lo cual el sensor de temperatura RTD es el que presenta los

valores más próximos a las temperaturas establecidas como set points. Los

RTDs son populares por su excelente estabilidad y muestran la señal más

lineal con respecto a la temperatura de cualquier sensor electrónico de

temperatura (National Instruments, 2011).

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