Instrumentacin Virtual Prcticas de Laboratorio

Medicin De La Temperatura con RTD (PT100). Introduccin/Objetivos7

Vanessa Cuesta Katherine Remache

UTPLInstrumentacin Virtual Prcticas de Laboratorio

Parte IMedicin De La Temperatura con RTD (PT100)4Captulo 1Introduccin/Objetivos51Tema52Objetivos53Marco Terico5Captulo 2Procedimiento y Clculos10TEMPERATURA1010109010VOLTAJE DE SALIDA100V1010V10A103.85x10-310Ro1010010Imax105mA10Se escoge , se debe elegir el valor de r mucho ms grande al que se obtienen en los clculos, pues con ello se logra una mayor linealidad para el sensor, para determinar los valores de las resistencias del puente se obtienen mediante la siguiente igualdad.10La alimentacin se le dar al puente de Wheatstone se calcula en base a los valores de corriente mxima a utilizar, en este caso utilizaremos 5mA, la resistencia nominal a temperatura 0 y la resistencia que posee el sensor a la temperatura a mxima. Los debemos de la siguiente forma:11La tensin ser:11Para nuestro caso elegimos V=15V11La expresin de la curva de calibracin lineal del sistema RTD-Puente ser:12Captulo 3Resultados y Simulaciones16conclusiones18Bibliografa19

Medicin De La Temperatura con RTD (PT100)Introduccin/Objetivos

TemaSENSORES DE TEMPERATURA DE RESISTENCIA METALICAObjetivos Disear un circuito que me permita medir la temperatura de 10 a 90 utilizando una PT100, con un error de linealidad menor al 1%.

Disear el acondicionamiento del sensor, mediante el puente de Wheatstone y amplificadores operacionales, que nos permitan tener una lectura en el rango de 0 a 10V, en funcin del voltaje diferencial de entrada, que responden a los cambios de temperatura que varan entre 10C y 90C.

Disear un sistema de adquisicin de datos mediante LabVIEW que nos permita hacer las lecturas de temperatura en funcin del voltaje, proveniente de los circuitos acondicionadores.

Consideraciones

El circuito tiene que ser capaz de realizar lecturas que van desde los 10C hasta los 90C, haciendo la equivalencia de 0 V a la salida del circuito acondicionador para los 10C y 10V indicarn una lectura que equivalente a 90C. El error de linealidad no deber superar el 1%. Se deber utilizar un circuito de amplificacin en cuya entrada responda a voltaje diferenciales, y el voltaje de offset se lo corregir mediante un circuito de resta. El sistema de lectura de datos implementado en Labview ser capaz de mostrar los niveles de voltaje a la salida del circuito acondicionador, y el equivalente de temperatura correspondientes.Marco TericoLa RTD son sensores de temperatura de resistencia metlica, pues los metales se caracterizan por poseer coeficientes trmicos positivos de variacin de resistencia elctrica; ello es producto de que al aumentar en los mismo la energa interna aumenta su resistividad.

En la siguiente tabla se presenta la resistividad y el coeficiente trmico de variacin de la resistencia a la temperatura ambiente para algunos metales comnmente empleados en la construccin de RTDs.

Tabla 1. Resistividad y coeficiente trmico de metales usados para construir RTDs

MetalesResistividad () [.m]Coeficiente trmico () [K-1]

Platino, Pt10,6.10-83,9.10-3

Niquel, Ni6,84.10-87.10-3

Wolframio, W5,6.10-84,5.10-3

Cobre, Cu1,68.10-84,3.10-3

EL platino es el metal de mas bajo coeficiente trmico, mientras que el nquel es el de ms alto. Si se construyen RTDs con estos metales, las de niquel sern las de mayor sensibilidad (mayor variacin de resistencia R ante un cambio de temperatura T), mientras que las de platino poseen una menor sensibilidad.PT100 Sensor Pt100 Un Pt100 es un sensor de temperatura que consiste en un alambre de platino que a 0 C tiene 100 ohms y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia elctrica. El incremento de la resistencia no es lineal pero si creciente y caracterstico del platino de tal forma que mediante tablas es posible encontrar la temperatura exacta a la que corresponde. Normalmente las Pt100 industriales se consiguen encapsuladas en la misma forma que las termocuplas, es decir dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material (vaina), en un extremo est el elemento sensible (alambre de platino) y en el otro est el terminal elctrico de los cables protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). Para el acondicionamiento de la seal se utiliza el puente de wheatstone, donde a la salida de este se aplicara un amplificador de instrumentacin para obtener los rangos de voltaje deseados.

Puente de Wheatstone En esta prctica se lo utiliza como un acondicionador para una RTD lo que se trata es de lograr una seal de tensin proporcional a la temperatura a medir por lo que un circuito que nos puede ayudar en este paso es el circuito del Puente de Wheatstone. A la salida de este circuito lo que tenemos es un voltaje diferencial y que depende de las resistencias que lo conforman.

Figura 1. Puente de Wheatstone

Si consideramos el modelo lineal de la RTD, donde se puede demostrar que el valor de la tensin Vs, ser:

En el puente se cumple que:

En el circuito del puente de Wheatstone es importante tomar las resistencias de la rama superior de un valor r veces mayor que la resistencia Ro del sensor, por lo que R1=R2=R=rRo, de igual manera R3=Ro. Luego obtenemos:

Donde r=R/R0 es la razn caracterstica de resistencia del puente.Con el puente de Weatstone se obtienen una seal elctrica Vs dependiente de la temperatura t aunque tambin de la igualdad entre las resistencias R1=R2=rR0; R3= R0 y del valor y estabilidad de la tensin de alimentacin del puente V. Si se utilizan en el circuito de resistencias de gran calidad, as como fuentes de alimentacin muy estables o referencias de tensin, el puente no introduce errores apreciables en la medida. Amplificador de Instrumentacin Lo utilizamos a la salida del puente de Wheatstone para obtener mayores voltajes de salida amplificados. Es una combinacin de amplificadores operacionales que est diseado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo comn (CMRR). La operacin que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor o tambin llamado ganancia. En la siguiente figura se muestra la estructura de un amplificador de instrumentacin:

Figura 2. Amplificador de instrumentacin

Debido que existe realimentacin negativa se considera un corto circuito virtual entre las entradas inversora y no inversora de los dos operacionales. Por ello se tendrn las tensiones en dichos terminales y por lo tanto en los extremos de la resistencia Rg. As que por ella circular una corriente:

Y debido a la alta impedancia de entrada del amplificador operacional, esa corriente ser la misma que atraviesa las resistencias R1. Por lo tanto la tensin que cae en toda la rama formada por Rg, R1y R1 ser:

Que ser la diferencia de tensin entre la salida inmediata de los dos opamps (justo antes de las R2). Puesto que el resto del circuito es un restador de ganancia la unidad (R2=R3) su salida ser exactamente la diferencia de tensin de su entrada (sin aadir ganancia), la cual se acaba de definir.

Ntese como se ha simplificado la expresin dando valores iguales a las resistencias. En caso de que las resistencias no sean iguales, la ganancia total del amplificador de instrumentacin ser:

En circuitos integrados suele encapsularse todo excepto la resistencia R para poder controlar la ganancia. Tambin puede sustituirse la conexin a tierra por otra a una tensin dada. [6]Procedimiento y ClculosPara el anlisis y diseo del sistema de acondicionamiento de la seal del sensor (PT100) se deben tomar en cuenta las caractersticas de cada sensor, que varan de acuerdo al tipo de material de la RTD, para este caso se utilizara una PT100 y sus caractersticas se indican a continuacin:

TEMPERATURA1090

VOLTAJE DE SALIDA0V10V

A3.85x10-3

Ro100

Imax5mA

CALULOS PARA EL SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE LA SEALSe calcula la razn caracterstica de resistencia del puente tomando en cuenta el 1% de error de linealidad, el valor de temperatura que se utiliza es el mximo, en este caso 90

Se escoge , se debe elegir el valor de r mucho ms grande al que se obtienen en los clculos, pues con ello se logra una mayor linealidad para el sensor, para determinar los valores de las resistencias del puente se obtienen mediante la siguiente igualdad.

La alimentacin se le dar al puente de Wheatstone se calcula en base a los valores de corriente mxima a utilizar, en este caso utilizaremos 5mA, la resistencia nominal a temperatura 0 y la resistencia que posee el sensor a la temperatura a mxima. Los debemos de la siguiente forma:

La tensin ser:

VPara nuestro caso elegimos V=15VCalculamos la sensibilidad mediante la siguiente expresin:

La configuracin del puente de wheatstone se muestra a continuacin:

Figura 3. Circuito acondicionamiento (Puente de Wheatstone)La expresin de la curva de calibracin lineal del sistema RTD-Puente ser:

Con esto de obtiene el voltaje diferencial en funcin de la temperatura del sensor. A continuacin se obtiene los clculos de este voltaje diferencial entre el rango de 10C a 90C.T=10

T=20

T=26

T=30

T=40

T=50

T=60

T=70

T=80

T=90

Para amplificar las seales del puente acondicionador, se utiliza un amplificador de instrumentacin conformado de tres amplificadores operacionales.

La ganancia para este amplificador de instrumentacin dada por R1, R3 y Rg, mientras que los resistores para el amplificador diferencial sern iguales, para obtener una configuracin que nos permita tener un restador puro.

Figura 4. Diseo del amplificador de instrumentacinR1=R3R4=R5R6=R9

La ganancia que requiere nuestro circuito se determina a continuacin:

Para nuestro amplificador, damos el valor de R1 de 18k y obtenemos el valor de la resistencia Rg, en funcin de la ganancia que se requiere.

Para nuestros casos utilizamos una resistencia (Rg) que se aproxima al valor obtenido, en este caso 330 .La ecuacin que se debe implementar a nuestro circuito es la siguiente, donde la pendiente de la ecuacin, es la ganancia obtenida por el amplificador de instrumentacin

Para quitar el voltaje de offset (), expresamos una configuracin de amplificador restador.

Figura 5. Relacin entre el voltaje diferencial obtenida del sensor y el amplificadoTambin nos es posible obtener la temperatura. En funcin del voltaje de entrada que le llegue a nuestra tarjeta de adquisicin de datos, esta funcin de transferencia es la que implementamos en software LabVIEW.

Remplazando en:

Se obtiene:

Resultados y Simulaciones

Figura 6. Configuracin final del sistema

TEMPERATURA[oC]VOLTAJE CALCULADO RTD [V]VOLTAJE TOTAL[V]

VOLTAJE SIMULADORTD [V]VOLTAJE SIMULADO TOTAL [V]

100,0110,007280,010,32

200,0221,244560,021,58

300,03332,5155840,032,84

400,04443,7641120,043,98

500,05555,012640,055,31

600,06666,2611680,066,54

700,07777,5096960,077,53

800,08888,7582240,088,778

900,099910,0067520,0910,1

conclusiones Las RTD de platino son las que menos sensibilidad tienen ante un cambio de variacin de temperatura, pero este se compensa por su linealidad, pues es el que tienen mayor linealidad que las RTD de otros materiales. EL comportamiento de la RTD ante variaciones de tiempo corresponden al de un sistema de primer orden de constante de tiempo (), parmetro caracterizador de la respuesta dinmica de la RTD, la cual depende del atraso de tiempo entre la variacin de la temperatura y la variacin de resistencia al cambiar la frecuencia de la temperatura. La utilizacin del puente alimentado con tensin nos da la desventaja de dar una no linealidad con respecto a la tensin de salida con la variable a medir (Temperatura de la RTD), para lograr una linealidad del sistema sensor-acondicionador se debe hacer que la razn caracterstica de resistencia del puente sea mucho mayor que el producto T

Bibliografa[1]. PREZ, Miguel; LVAREZ, Juan; CAMPO, Juan; FERRERO, Javier; GRILLO, Gustavo; Instrumentacin Electrnica; [material impreso]; Fecha de la consulta: 2011/05/13.

[2]. ; ; [en lnea ]; Fecha de la consulta: 2011/05/13; Disponible en:[3]. ; ; [en lnea ]; Fecha de la consulta: 2011/05/13; Disponible en: