Medidor de Temperatura Con Termopar

Medidor de temperatura con Termopar  { }

TERMOMETR  O DIGITAL TTM 350 Jorge Luis Marcano C.I. 10.931.588 marcano9@cantv. net osé Luis Femayor Flores C.I. 8.898.954  jlfemayor@gmail. com Dpto. de Postgrado UNEXPO, Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Maestria Ingenieria Electrónica.

Resumen:  Presentación de un instrumento de medición de temperatura basado en termopar,  para el cual se presentan sus características técnicas Palabr as claves:  claves:  Termopar,  Termopar, Seebeck, amplificador, Peltier 

1. INTRODUCCIÓN

Se construye un termómetro digital digital basado en un sensor termopar tipo tipo K GMQSS-M100 con probeta de temperatura de bajo ruido y conector miniatura modelo WCP-GMQ, cuyo fabricante es Omega, utilizando estos equipos garantizamos una alta exactitud de la probeta con el conector, así como protección contra el ruido eléctrico. Adicionalmente en la construcción de este instrumento se utilizo un conjunto acondicionador basado en el Amplificador LTC2053, como circuito compensador de temperatura el sensor de precisión LM35 el cual no requiere calibración calibración y ajuste externo y tiene una precisión de 0,25°C; como el elemnto de interfase se utiliza el microcontrolador P IC16F873, el cual soporta a un convertidor A/D de 10 bits y la presentación final en un display 7 segmentos se gmentos de 4 digitos modelo FE0202.

2. FUNDAMENTOS TEORICOS Sensores generadores: Se consideran sensores Generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Esto es una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias como por ejemplo: temperatura, fuerza, presión, y otras magnitudes afines. En algunos casos:

Transductor Efecto Reversible

En esta parte se toma en cuenta cu enta las fuentes de Interferencia cuyos efectos pu eden  producirse inadvertidamente en los circuitos. Ejemplos: Ruidos (Mecánicos, Magnéticos, Eléctricos, Térmicos, Electrónicos). Fuerzas Electromotrices. Vibraciones. Presencia de Dieléctricos o Potenciales galvánicos. Termopar: Un termopar es un dispositivo para la medición de temperatura, basado en efectos termoeléctricos. Es un circuito formado por dos conductores de metales diferentes o aleaciones de metales diferentes, unidas en sus ex tremas y entre cuyas uniones existe una diferencia de temperatura, que origina una fuerza electromotriz efecto Seebeck. La fuerza electromotriz generada por el termopar esta en función de la diferencia de temperatura entre la unión fría y caliente, pero m ás específicamente, ésta es generada como un resultado de los gradientes de temperatura las cuales existen a lo largo de d e la longitud de los conductores.

Inventor Thomas Johann Seebeck (1770 - 1831): :Físico y medico alemán. Perteneció a la Academia de Ciencias de Berlin. En 1821-22 descubrió la termoelectricidad y la pila termoeléctrica. Descubrió el efecto que lleva su n ombre, que consiste en el paso de la

corriente a través de un circuito formado por dos metales distintas cuyas uniones se mantienen a temperaturas distintas y que es el funda mento de los termopares.  Efecto Seebeck: Cuando las uniones de dos conductores se unen por sus extremos para formar un circuito, y se colocan en un gradiente de temperatura, manifiesta un flujo de calor y un flujo de electrones conocido como corriente Seebeck. La fuerza electromotriz (FEM) que genera la corriente se conoce como fuerza electromotriz de termopar o tensión de Seebeck. El coeficiente Seebeck (S) se define como la derivada de dicha tensión (E) con respecto a la temperatura (T):

S = dE / dT 

Efecto Peltier: Descubierto par Jean C. A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento a enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sen tido del flujo de calor. Este efecto es reversible e independiente del contacto. Depende solo de la composición y de la temperatura de la unión.  Efecto Thompson: Descubierto por William Thompson (Lord Kelvin) en 1847 -54, consiste en la absorción a liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura

no homogénea por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello, cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas, y se libera calor si fluyen en la misma dirección. La magnitud de la FEM depende de los materiales de los conductores utilizados p or el termopar y de sus condiciones metalúrgicas. Subsecuentes cambios en la composición del material causados par contaminación, mecanismos extraños, o choques termales influyen y modifican la FEM. Con el tiempo y el uso, la degradación del termopar es inevitable, por lo que un esquema de: calibración inicial, verificaciones regulares y reemplazo eventual, deb e ser establecido. Si par razones prácticas la longitud de los termopares se incrementa, esta será hecho por el empleo de la extensión correcta. El cable de extensión consiste de conductores hechos nominalmente del mismo material de los conductores del termopa r. Con el fin de dar un mayor tiempo de vida al termopar, su alcance de medición debe res petarse, éste depende del grosor de los alambres (calibre AWG). Tipos de Termopares

Otros Tipos de Termopares: En la actualidad se ha hecho investigaciones en termopares fabricados con ambos brazos sin aleación, con el fin de eliminar los efectos de inestabilidad y gradientes de temperatura debidos a cambios no uniformes en la composición de la aleación, causados por la exposición a altas temperaturas. Algunos de estos termopares son: El termopar de platino - oro" que tiene magnificas características termoeléctricas, gran estabilidad, exactitud y alta reproducibilidad. Así como el termopar de platino - paladio" con gran estabilidad.

Los termopares de tungsteno - renio" y aleacion es con otros materiales como: molibdeno, iridio y rodio, han mostrado un buen desempeño a temperaturas tan altas coma 2 750 °C y  pueden ser utilizados, por cortos periodos a 3 000 °C en atmosferas no oxidantes, algunos han sido codificados coma termopares: A, B, C, D, G y W.

Vol taje de Salida de un termopar según su composici ón  Tabla de Valores de voltaje vs tensión del termopar tipo J http://www.omega.com/temperature/Z/pdf/z203.pdf

Termocuplas comerciales http://www.omega.com/toc_asp/subsectionSC.asp?subsection=a&book=Temperature&all= 1

Código de Colores: El propósito es establecer uniformidad en la designación de los termo pares y cables de extensión, por medio de colores en sus aislamientos e identificar su tipo a composición así como su polaridad.

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares:Para aplicar el e fecto Seebeck a la medida de temperatura es necesario mantener una de las uniones a una temperatura de referencia. Una solución consiste en disponer la unión de referencia en hielo fundente. Tal como se indica en la figura siguiente:

Es una solución de gran exactitud y facilidad de montaje pero es de difícil mantenimiento. y coste alto. Se puede mantener también la unión de referencia a una temperatura constante a  base de emplear un elemento de refrigeración basado en el efecto Peltier inverso o un horno termostatado, pero en cualquier caso debe usarse mucho hilo de uno de los dos metales del termopar y esto encarece la solución. La solución indicada en las figura siguiente permite emplear un hilo de conexión más económico (cobre). Si bien sigue siendo una solución cara por la necesidad de mantener una temperatura de referencia constante. Si el margen de variación de la temperatura ambiente es menor que la resolución deseada puede dejarse la unión de referencia simplemente al aire. En caso contrario se emplea l a denominada compensación electrónica de la unión de referencia. La Compensación electrónica consiste en dejar qu e la unión de referencia sufra las variaciones de la temperatura ambiente, pero esta se detectan con otro transductor de temperatura. Dispuesto en la vecindad de la unión de' referencia, y se resta una tensión igual a la generada en la unión fría. La tensión de alimentación del puente debe de ser estable, y puede ser la de una pila de mercurio.

Amplificador de instrumentacion: Se denomina amplificador de instrumentación a aquel dispositivo que tenga simultáneamente alta impedancia de entrada, alto rechazo del modo común, ganancia estable y variable con una sola resistencia, y que no se contraponga ganancia-ancho de banda, tensión y corriente de fugas bajas, bajas derivas, impedancia de salida baja. La estructura típica de un A.I. es la mostrada en la figura siguiente, cuya ecuación es:

Si R 4 = R 5 = R 6 = R 7 , entonces,

Con R 2 se puede variar la ganancia pero no de forma lineal. Algunos amplificadores de instrumentación monolíticos son: Analog Devices: AD624  National : LM363 Burr-Brown: INA101 Linear: LTC1100, LT1101 Microcontroladores: Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado.

Microcontroladores: Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSPs más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa (vd. está usando uno para esto), usted tiene distribuidos seguramente entre los electrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi c ualquier dispositivo electrónico comoautomóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, etc... Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los modulos de entrada/salida (puertos) y la memoria para almac enamiento de información.

3. DESARROLLO DE DISPOSITIVO PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA Se desarrolla un sistema de medición de temperatura b asado en un sensor tipo termopar, el cual consta de las siguientes etapas:    

Acondicionador de la señal Referencia o compensación (Cold Junction) Microprocesador Etapa de visualización (Display)

En la figura siguiente se muestra un diagrama de bloques que representa todas las etapas del sistema desarrollado.

CIRCUITO ACONDICIONADOR  La etapa de acondicionamiento de señal, se realizo con en circuito amplificador operacional de instrumentación LTC2053, como se muestra en la figura

La ecuación de salida se obtiene del manual de fabricante del LTC2053, tenemos que la ganancia del mismo es determinada por la ecuación.

(1)

Agregando el termopar al circuito acondicionador se tiene,

Para determinar la relación entre la variación de tensión del termopar y la salida del circuito acondicionador y sustituyen el modelo equivalente del termopar, obteniendo

La ecuación de salida del circuito quedaría representada por,

(2)

El valor de la tensión suministrada por la termopar (ET - ETa) viene dada por,

(3)

donde, T(°C): temperatura en °C S(°C/V): sensibilidad del termopar Ta(°C): temperatura conexión del termopar °C S'(°C/V): sensibilidad en conexión del termopar °C La ecuación quedaría finalmente como sigue,

(4)

Despejando se obtiene la ecuación inversa,

(5)

CIRCUITO DE REFERENCIA La ecuación que describe al sistema, presenta un error introducido por las conex iones del termopar a los terminales de conexión, representada por ETa y amplificada por el Opam. Para corregir este error se utiliza un circuito de referencia pa ra la corrección de la unión fría, el cual esta compuesto por el circuito integrado LM35 y el operacional LTC2050

El circuito LM35 es un sensor de temperatura de precisión en grados centígrados el cu al  permite una salida de 10 mV/°C, y utilizando el amplificador operacional LTC2050 como seguidor para acople de impedancia se tiene que la ecuación que describiría al circuito de referencia es, (6)

donde:

a = 10 mV/°C

Ta(°C): temperatura en la conexión del termopar °C Despejando se obtiene la ecuación inversa, (7)

INTEGRACIÓN DE COMPONENTES

El circuito integrado LTC2053 utiliza una topología de swicheo de un condensador de entrada, muestreando en aproximadamente 2,5 kHz. Con una capacidad de entrada de muestreo de ~1000 pF, el transiente RC de 10 kΩ resistencia de protección cubre dentro de una ventana de ~180 μs, tal que ellos no contribuyan al error de offset. Típicamente cuando el LTC2053 opera mediante la señal de entrada, las frecuencias de interés están por debajo de unos cientos de Hz, por tanto es muy utilizado para mejorar la respuesta del amplificador el adicionar un capacitor d e 0,1 μF en el circuito de realimentación. La red de termopares ayuda a absorber los picos de RF y a suprimir los artefactos de muestreo para que no aparezcan en los terminales de la misma. Los resistores conectados a los termopares proveen una alta impedancia de bias VS/2, para maximizar la inmunidad de modo común sin inducir caídas de voltajes en los terminales del termopar. El circuito general del dispositivo diseñado integrando las etapas qu eda representado en la figura siguiente,

El circuito del dispositivo quedaría,

Agregando las etapas del microprocesador, donde se utiliza un microprocesador de PIC16F873 el cual posee un conversor A/D de 10 bits. Finalmente completando el diseño con un display de 4 dígitos modelo FE0202. En el siguiente diagrama se muestra el diseño completo del dispositivo de medición de temperatura. Es de notar que para que el circuito de referencia pueda compensar el error producido por la unión fría de la conexión del termopar del dispositivo es necesario que exista u n acoplamiento térmico, que garantice la medición l o más exacta posible de la temperatura de la unión fría.

4. CALCULO DE ERRORES •a)

Calculo de error máximo en la medida por el conversor A/D.

Para poder calcular el error máximo en la media por el conversor A/D de 10 bits con una alimentación Vr = 5,1 V, se cuenta con la ecuación para el cálculo de error de resolución del instrumento: Δv = VFS / (2 N -1)

(8)

Donde,  N: numero de bits de conversor A/D, en este caso N = 10 bits VFS: Tensión a escala completa del conversor A/D, en este caso denominado Vr = 5,1 V Evaluando 9, se tiene Δvo = 5,1/ (2 10 -1)= 0,004 985 V

(9)

Dado que todas las entradas analógicas al microprocesador son tratadas con el mismo conversor A/D de 10 bits, se puede generalizar que: Δvo = Δv REF  = 0,004 985 V

•b)

(10)

Calculo de error en la medida de temperatura debido a Δvo.

Para calcular el error máximo de temperatura se aplica la teoría de propagación de error a la ecuación 5.

(11)

Operando se tiene,

(12)

Sustituyendo los valores de los parámetros se tiene,

(13)

El error máximo en la medida la temperatura provocado por el conversor A/D es, ΔT  = 0,000 809 564 x 10-6 °C

(14)

•c)

Calculo de error en la medida de temperatura de la unión fría debido a ΔvREF.

Para hallar el valor del error máximo de temperatura de la unión fría se aplica la teoría de  propagación de error a la ecuación 7.

(15)

Operando se tiene,

(16)

El resultado de error es, ΔTaREF = 0,498 5 °C

•d)

(17)

Calculo de error en la medida de la temperatura del dispositivo.

En el programa desarrollado en el microprocesador se construye la siguiente ecuación para determinar el valor real de la temperatura, (18)

Para determinar el error máximo en la medida de la temperatura real se aplica la teoría de  propagación de error a la ecuación 18. (19)

Desarrollando las derivadas parciales,

(20)

Sustituyendo los valores encontrados en 19, (21) . (22)

La mayor contribución de error es ofrecida por la tensión de referencia, y esta determinada  principalmente por la sensibilidad del sensor LM35.

e)

Error máximo debido al offset de tensión de los amplificadores operacionales:

Calculo de offset generado por el AO LTC2053 Las hojas de datos características del amplificador operacional LTC2053 a nexas, muestran que este operacional tiene como parámetros de offset:

Voffset Típico = 10 mV (despreciable)

IBias= 4 nA (despreciable)

IOffset = 1 nA

Considerando la IBias e IOffset despreciables por su reducido valor, se procede a calcular el error en la medida de la temperatura debida a la tensión de offset de los AO. El valor del Vooffset

(23)

Calculando se tiene,

(24)

Sustituyendo el valor obtenido en 12, se tiene

(25)

Finalmente el valor del offset de temperatura debido al offset del AO LTC2053, (26)

Calculo de offset generado por el AO LTC2050 Las hojas de datos características del amplificador operacional LTC2050 a nexas, muestran que este operacional tiene como parámetros de offset:

Voffset Típico = 0,5 mV (despreciable)

IBias= 20 pA (despreciable)

IOffset = 150 pA

Considerando la IBias e IOffset despreciables por su reducido valor, se procede a calcular el error en la medida de la temperatura debida a la tensión de offset de los AO. El valor del Vooffset (27)

Sustituyendo en 16, se tiene (28)

Finalmente el valor del offset de temperatura debido al offset del AO LTC2050, (29)

Calculo error de offset en la medida de la temperatura Utilizando la ecuación 19 se obtiene, (30)

El valor del offset de temperatura del dispositivo seria, (31)

5. ESTIMACIÓN DE LA INCERTIDUMBRE DE LA MEDIDA DEL INSTRUMENTO.

Para estimar la incertidumbre de la medida del instrumento se procede a sustituir las ecuaciones 5 y 7 en 18, obteniéndose (32)

La incertidumbre estándar combinada en la medid a de la temperatura realizada por este instrumento seria, (33)

Donde los valores de las derivadas parciales fueron hallados en 20, Para el cálculo de las incertidumbres relacionadas con la temperatura se tiene, (34)

(35)

Sustituyendo 25 y 26 en 24 se tiene, (36)

(37)

(38)

La incertidumbre en la medida del instrumento seria  I (k = 2) = 2* ucΘ = 0,58 (ºC ) La expresión del error en la medida realizada por este instrumento queda representada por: (39)

6. DATASHEET DEL DISPOSITIVO DISEÑADO TTM350 Termómetro dígital. Descripción General: El TTM350 es un instrumento portátil para medición de temperatura hasta un máximo de 350 °C, basado en una termocupla tipo K, así como amplificadores operacionales y de instrumentación de alta precisión, microcontrolador PIC16F873, mediante el cual se  permite presentar la lectura de temperatura en un amplio display LCD de 4 dígitos, posee  protección contra ruido eléctrico. Es un equipo de fácil manejo, fácil uso y breve periodo de respuesta.

Datos Técnicos del Instrumento: Rango Resolución Resolución interna Exactitud Error Conector

0 a 350°C 1°C 10 bit ±1 °C para el rango de medida 0,5 °C ± 0,58 °C WCP-GMQ (Omega)

termopar Sonda

termopar tipo K GMQSS-M1 (Omega) Condiciones 0 a 70°C de trabajo Visualizador Display LDC 4 dígitos de 13,8 mm. Alimentación 4 baterías 1.5V tipo AA (6 Vdc) Unidad de ºC medida Dimensiones 140x68x38mm

. Características Eléctricas: Parámetro Error de Offset Rango de medición Exactitud Ambiente de operación Resolución Deriva

Valor del parámetro

Unidad

50 x 10-6 0 - 350 ± 0,58

ºC ºC ºC

-5 - +70

ºC

1 0

ºC

. Descargar DataSheet: http://rapidshare.com/files/117627661/DataSheet_TTM350.pdf.html

. Descargar Paper: http://rapidshare.com/files/117625535/Medidor_de_Temperatura_TTM350.pdf.html

7. CONCLUSIONES

Se diseño un dispositivo para la medición de temperatura con un sensor tipo termopar,  para un rango de medición de (0 - 350) °C y con un error de medida de 0,50 °C ± 0,58 °C. La exactitud del instrumento es de aproximadamente ± 1 °C

REFERENCIAS [1] http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS005516.PDF [2] http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/lineartechnology/2053fa.pdf [3] http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/lineartechnology/2050fa.pdf [4] http://www.omega.com/temperature/z/pdf/z204-206.pdf [5] http://www.datasheetarchive.com/preview/1388691.html