Medición de temperatura usando una RTD tipo PT100 Objetivos:
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Usar un sensor industrial tipo RTD para la medición de temperatura
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Estudiar el comportamiento de los sensores de temperatura tipo RTD.
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Familiarizarse con las tablas que describen el comportamiento de las RTD tipo PT100
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Implementar un circuito electrónico para llevar la señal de medición dentro de un rango de 0 °C a 100 °C, a una salida que cambie entre 4mA 4mA a 20mA.
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Usar el amplificador de instrumentación instrumentación AD620 como circuito electrónico principal para la amplificación de la señal generada por el sensor cuando realiza la medición de temperatura.
Introducción:
Los sensores de Temperatura basados en la variación de una resistencia eléctrica, suelen designarse con las siglas RTD (Resistance Temperature Detector). El fundamento de las RTD es la variación de la resistencia de un metal con el cambio en su temperatura; en un conductor, el número de electrones libres no cambia apreciablemente con la temperatura, pero si ésta aumenta, las vibraciones de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio son mayores, y así dispersan más eficazmente a los electrones, reduciendo su velocidad media y por lo tanto aumentando su valor resistivo. La variación de la l a resistencia con los cambios de temperatura queda expresada por una ecuación no lineal, como a continuación se presenta:
=
1 + ∆ + ∆ 2 + ∆ 3 +.
:
Resistencia final
: ∆ :
Resistencia a temperatura temperatura inicial Cambio de temperatura temperatura ( - )
, , :
Coeficientes
. . . . .
En el caso de los metales empleados en estos sensores (platino, níquel, cobre) y para los márgenes de medida de cada uno de ellos, prevalece el término lineal sobre los demás con una proporción de más de 10 a 1. En consecuencia, se puede decir que existe una linealidad aceptable dentro del margen de medida; de modo que la expresión de la resistencia en función del incremento de temperatura queda:
= (1 + ∆) Factores a tener en cuenta en el uso de RTDs:
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No se podrán medir temperaturas próximas al punto. de fusión del conductor
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Evitar auto calentamientos provocados por el circuito de medida. En los RTD es preciso minimizar el error por auto calentamiento limitando la corriente que inyecta en el sensor el circuito de acondicionamiento.
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Posibilidad de deformaciones mecánicas, por ejemplo, al medir la temperatura superficial con un elemento adherido a la superficie. En este caso, la variación de resistencia se podría deber tanto al cambio de resistividad como al cambio de dimensiones asociado al incremento de temperatura.
El sensor RTD más difundido es la denominada PT100. Se trata de un elemento de platino que presenta una resistencia de 100ohm a 0ºC y que se puede encontrar comercialmente con multitud de tamaños, formas y encapsulados para las aplicaciones más diversas. La variación de resistencia en los sensores tipo RTD, es medida con un puente de Wheatstone dispuesto en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos (este último reservado para medidas de laboratorio), la configuración usada industrialmente es la de tres hilos ya que esta permite que el sistema de medición no se vea afectado por la resistencia de los cables que conectan al sensor con el puente de Wheatstone. En las siguientes figuras se muestra las configuraciones de 2 y 3 hilos:
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Una aproximación lineal de la respuesta del puente está dada por :
= -
∆
Para la configuración de dos hilos, la resistencia presente en
los cables de
conexión dan una falsa lectura de la temperatura. -
El uso de esta topología se presenta solo cuando los cables de conexión son cortos
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La configuración de tres hilos compensa las variaciones de resistencia que originan en los cables de conexión, la resistencia en los cables afectan igualmente ambos lados del puente con lo que se consigue no afectar la salida del mismo.
Materiales
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Osciloscopio
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Multímetro
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RTD
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Tabla de temperatura vs resistencia de las RTDs PT100
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Fuentes de voltaje
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Protoboard
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Amplificador de instrumentación AD620
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Amplificador operacional TL084
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Transistor 2n2222 o 2N3904
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Resistencias
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Cables
Preguntas de repaso:
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Como se demuestra la aproximación lineal del puente de Wheatstone?
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Explique la configuración de 4 hilos para la medición con los puentes de Wheatstone
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En qué consiste el error por auto calentamiento en la medición con RTDs?, Como se minimiza este error?
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Desde el punto de vista electrónico, como trabaja el conversor de voltaje a corriente mostrado en la siguiente figura?
Desarrollo de la práctica:
1- Implemente el siguiente circuito electrónico:
2- Realice un análisis del sistema electrónico y explique: -
Cuál es la función del amplificador marcado como U2A?
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Como se puede conocer la corriente que circula por la RTD? Es mayor a 3mA? (Muestre los cálculos)
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Como trabaja el potenciómetro marcado como Cero en la respuesta del amplificador de instrumentación AD620?
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Que función cumple el amplificador operacional U2B?
3- Consulte en las tablas que describen el comportamiento de las RTDs los valores que estas toman cuando la temperatura sea de 0 °C , 20 °C, 50 °C y 100 °C, consígnela en una tabla. 4- Realice la calibración del circuito electrónico de tal manera que para una temperatura de 0 °C y de 100 °C, corresponda una salida en corriente de 4mA y 20mA respectivamente. Para tal fin, simule con un potenciómetro la resistencia que el sensor adquiere para cada uno de los valores definidos de temperatura y mueva los ajustes de CERO y SPAN con el fin de calibrar 4mA y 20mA para el valor bajo y alto de temperatura. 5- Una vez alcanzada la calibración, proceda a instalar la RTD en el circuito electrónico y verificar la calibración en campo. Para tal fin, prepare un vaso con hielo (temperatura de 0 °C) y otro con agua hirviendo (temperatura 100 °C) y compruebe que la respuesta del circuito sea de 4mA y 20mA para los valores bajo y alto de la variable en medición. Compare la medición con un instrumento de medición como un termómetro o algún circuito instrumento para tal fin. ¿Qué errores presenta el equipo diseñado frente al equipo de comparación? Muestre los resultados en una tabla comparativa y concluya. 6- Realice una re calibración del circuito para un rango de temperatura de 20 °C a 50 °C, mida la temperatura ambiente con un termómetro y compare la medición con la salida que presenta en circuito. ¿Qué error se presenta en la medición?. Cuáles son las posibles causas? Notas:
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Realice un informe donde se consignen todos los resultados alcanzados en la práctica y se resuelvan las preguntas planteadas.
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Este taller corresponde a la nota del trabajo final de la asignatura.
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El informe debe ser entregado en la fecha indicada previamente.
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Se debe hacer un video donde se resuma toda la actividad realizada en la práctica, en este se presentan los integrantes del grupo y las mediciones
obtenidas. El video es subido a YouTube y el enlace se adjunta en el mismo correo donde se envié el informe. -
El
correo
electrónico
donde
se
envía
las
evidencias
[email protected] -
Se acepta la conformación de grupos máximo de tres personas.
es