Nivel de Agua

 

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE  QUERÉTARO FACULTAD DE INGENIERÍA  Laboratorio de Electrónica Avanzada    

Practica 07 OPAMP Instrumentador 

Padilla Orozco Cesar Alejandro  Ramírez Carrillo Eduardo Raúl  Reyes Velázquez Emilio Jesús 

Semestre: 5

Grupo: 3

 

Prof. José Luis Avendaño Juárez

Marco teórico: 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 extremas 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 más específicamente, ésta es generada como un resultado de los gradientes de temperatura las cuales existen a lo largo de la longitud de los conductores. 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

Tipos de

termopar

Amplificador de Instrumentación: Un OPAMP con la configuración de instrumentación, cuenta básicamente con dos OPAMP’s en configuración de seguidor de voltaje y un OPAMP como amplificador 

diferencial. Los dos primeros tienen la simple función de mandar la señal a través de él, sin afectar su ganancia, o modificarla, se utilizan como acopladores, puesto que en ocasiones las señales se pierden, este es un puente para pasar a otra etapa, también cabe resaltar que a la entrada cuenta con una alta impedancia, por lo que la mayor parte de corrientes parasitas y ruido se eliminan. En la parte de la salida tenemos presentes la configuración de amplificador diferencial cuya impedancia de entra es baja, pero tenenmos una ganancia diferencial alta si el ancho de banda es pequeño. El amplificador queda construido como se observa en la imagen:

 

  Y su función de transferencia queda de la siguiente manera:    (  )    

Objetivo: La práctica consta de la elaboración de un sistema de control de temperatura y nivel de agua, se intentara imitar la función de un boiler eléctrico. Para lo cual se consta con una cisterna que proporcionara el agua por medio de una bomba, tendrá que existir un nivel mínimo de agua, esto es con la finalidad de que exista agua suficiente que mandar, para que la bomba no se queme, este nivel mínimo será comprobado por medio de un flotador. Una vez abierta la bomba de la cisterna, el nivel de agua deseado en la caldera será monitoreado por otro flotador, cuando se alcance la bomba en la cisterna se detendrá. Ahora empieza la parte del calentado del agua, se utiliza una resistencia para conseguirlo, pero para determinar la temperatura se necesitara de un termopar, que nos mandara señales en el orden de los µV, que por medio de un sistema de OPAMP’s en

instrumentación instrumentac ión esta lectura llegara al orden de los mV, después de convertir esta señal para poder leerla en grados centígrados. Cuando la temperatura sea la deseada, se activara un buzzer, que solo nos avisara que el agua esta lista y justo a continuación se manda una señal en la bomba y válvula para liberar el agua, se tendrá que llegar nuevamente a un nivel de cero, para que la bomba de la caldera no se queme, para saber el nivel nuevamente utilizamos el flotador de la caldera. Para explicarlo mejor se dividirá en tres puntos:

 

1) Medición de nivel de agua:  Lo que se utilizo es un flotador, adaptando en él un potenciómetro, que al subir o bajar el flotador su valor óhmico cambiara. Entonces solo aplicamos una fuente fija de 5V, con lo cual tendremos un divisor de tensión, esto con la finalidad de que el micro controlador (PIC), registre estos cambios de voltajes.

2) Medición de temperatura: En la caldera se cuenta con un termopar, que como se explico anteriormente, nos proporcionara proporcionar a valores en el orden de los µV, al variar su temperatura. El PIC no tiene la capacidad de leer voltajes tan bajos, por lo que necesitaremos una etapa de amplificación y eliminación de ruido, para esto utilizaremos la configuración en los OPAMP’s conocida como de instrumentación, donde los dos OPAMP’s OPAMP’s conectados como seguidores de voltaje, estos recibirán la señales del termopar y eliminar la mayor cantidad de ruido al tener una alta impedancia a su entrada. El OPAMP como amplificador diferencial nos servirá para generar la ganancia necesaria para pasar la señal del orden de los µV a los mV. No obstante aunque el PIC ya sea capaz de leer las señales en mV, utilizaremos un OPAMP final con una configuración de amplificador no inversor, esto lo hacemos por dos razones, la primera pasar del orden de los mV a los V, y la segunda, como no queremos que el OPAMP en instrumentación amplifique demasiado, (esto para evitar amplificar el ruido), le encomendamos la función al amplificador no inversor. Para que los valores no bailaran demasiado por el ruido, mandamos la armadura del termopar a tierra, y también utilizamos una resistencia de offset, para que se eliminara la mayor cantidad de ruido posible. -------------------Explicación de las resistencias a cuanto estamos amplifican amplificando---------do----------

Una vez que el sistema estuviera estable, se realizaron varios experimentos para obtener una grafica de la señales del termopar donde graficaríamos temperatura vs voltaje a la salida amplificada. Después de varios experimentos la grafica queda como:

 

Temperatura vs mVolts

y = 0.7616x + 2.7568 R² = 0.999

90 80 70

   C    º 60    a    r    u    t 50    a    r    e 40    p    m30    e    T

20 10 0 0

20

40

60

80

100

120

mVolts

  Observamos que contamos con una salida en forma lineal, donde su ecuación queda como       , la cuál utilizaremos dentro del programa del PIC, para poder convertir los valores de voltaje que se están leyendo, a valores de temperatura que serán mostrados en el display.

3) Activación de señales: Por medio del programa en el PIC, se quedan registrados los valores de niveles de agua y de temperatura que registro el usuario a través del teclado matricial, básicamente en el programa están las condiciones para que cuando los valores coincidan con los que están siendo censados, el PIC mande pulsos para activar relevadores, que gracias a que soportan corrientes de alterna y directa, fueron perfectos para abrir las bombas de DC, y encender la resistencia y una bomba de AC, meramente cerraban los circuitos de las fuentes de alimentación.

 

Conclusiones Los amplificadores operacionales son instrumentos analógicos que nos ayudan a realizar diferentes operaciones algebraicas, estas a su vez nos ayudan a resolver los diferentes problemas que nos enfrentamos, dependiendo del tipo de configuración y diseño del amplificador operacional (características propias).En este caso se utilizó el OPAMP TL081. En esta práctica se realizo la lectura de una señal tipo analógica como es la temperatura, a través de un termopar que genera una diferencia de potencial a su salida, dependiendo de la temperatura del mismo. Este voltaje es muy pequeño por lo tanto poco manipulable, por este motivo las terminales del termopar se conectaron a un arreglo del amplificadores operacionales, conocido como amplificador de instrumentación, compuesto de dos seguidores de voltaje y un diferencial, en este circuito se busco obtener una ganancia capas de amplificar el voltaje, lo suficiente para su lectura por medio de un microcontrolador. Los seguidores de voltaje nos ayudan a mantener la tensión de entrada a la salida del circuito, mientras que el diferencial obtiene el voltaje que existen entre las dos terminales de entrada. Se observo que el voltaje de salida no era el correcto, y que este variaba mucho, para mantener estable dicho voltaje se aterrizó la armadura del termopar, ahora bien para poder obtener un voltaje correcto y sin ruido, se ajusto el offset del amplificador diferencia, a modo de que no existiera voltaje de salida cuando su entrada fuera cero, de este modo el único voltaje amplificado seria el del termopar. Después de este arreglo se coloco otro OPAMP configurado como un no inversor, para aumentar la finesa de la medición, ya que este voltaje variaba ligeramente y era necesario aumentar su variación con forme la temperatura cambiara. Una vez realizadas todas las consideración se logro obtener un error menor al 0.1 grado centígrado. La parte de la linealizacion del termopar, se llevo a cabo a través de una ecuación establecida en el programa del microcontrolador.

 

 

BIBLIOGRAFÍA http://iindustrial.obolog.com/medidor-temperatura-termopar-86703Luces M.