Enero 14 de 2015

MEDIDA Y REGISTRO DETEMPERATURASENSADO MEDIANTE PT-100

PROYECTOSensores e Instrumentación Virtual

Armando Uribe C.

Pablo Pérez Chueca

Universidad Politécnica de ValenciaValencia, Comunidad Valenciana

España

ContenidoRESUMEN.....................................................3OBJETIVOS...................................................3DISEÑO DEL SISTEMA..........................................4DIAGRAMA DE BLOQUES.......................................4ESQUEMA ELECTRICO.........................................4PRIMERA ETAPA - ADONDICIONAMIENTO........................4SEGUNDA ETAPA – CONVERSION V/F...........................5TERCERA ETAPA – CONVERSION F/V...........................6CUARTA ETAPA – TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS...........6QUINTA ETAPA – TRATAMIENTO POR ORDENADOR.................7

CALCULOS..................................................7PROGRAMACION..............................................8EVALUACION...............................................10LIMITACIONES.............................................10ERRORES..................................................10

SOLUCIONES ALTERNATIVAS....................................11CONCLUSIONES...............................................11REFERENCIAS................................................11

MEDIDA Y REGISTRO DE TEMPERATURA CON PT-100

RESUMEN

En el presente documento se plantea el desarrollo de unsistema de medición y registro de temperatura mediante SensorRTD PT-100 normalizado al estándar IEC751.Se pretende obtener como resultado la visualización enordenador de la temperatura en tiempo real, así como tambiénsu registro en un gráfico, ilustrando la tendencia. Además deesto, se desea tener la posibilidad de establecer alarmas conlimites variables en tiempo real, simulando así un ambienteindustrial, donde en momentos críticos, el usuario tener laposibilidad de visualizar de manera oportuna un estado dealarma.Ahora bien, la medición se realiza analógicamente y como sehabía mencionado, se tiene como sensor primario una RTD(Resistance Temperature Detector), elemento resistivo queentrega un valor de resistencia proporcional a la temperaturamedida. Dicho valor ha de ser acondicionado mediante unAmplificador de Instrumentación obteniendo así una salida devoltaje analógica establecida en un rango estándar de cerovoltios para un estado mínimo y cinco voltios para un estadomáximo. Posteriormente, dicha salida de voltaje ingresa enuna etapa de transmisión donde la medición de voltaje esconvertida en frecuencia de manera proporcional. Así mismo,ésta señal es conectada a una etapa en donde se convierte el

valor nominal de la frecuencia en un valor de voltaje.Finalmente, Dicha señal es conectada a la interfaz de latarjeta de adquisición de datos para su posterior tratamientopor software.

OBJETIVOS

Se tiene como objetivo principal, la medición de latemperatura para un ambiente controlado, con un rangoestablecido de -20ºC a 100ºC. La medición debe realizarsemediante un sensor de temperatura tipo RTD Pt-100 y latemperatura debe registrarse en un ordenador a través de unatarjeta de adquisición de datos.Además, se debe tener en cuenta que la temperatura debe sertransmitida por Frecuencia (0 a 10Khz), es decir, debe haberuna etapa que realice la medición y convierta el valorproporcional de voltaje en frecuencia.La señal analógica de la temperatura debe conectarse a travésde la tarjeta de adquisición de datos al ordenador para así,mediante el software VeePro, procesar la señal y mostrarla engráficos e indicadores.

DISEÑO DEL SISTEMADIAGRAMA DE BLOQUES

Figura 1. Diagrama de Bloques del Sistema

RTD SENSOR PRIMARIO (PT-100) AI AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION (AD620) V/F CONVERSOR DE VOLTAJE A FRECUENCIA (VFC32) F/V CONVERSOR DE FRECUENCIA A VOLTAJE (VFC32) T-A TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS PC ORDENADOR EQUIPADO CON VEE-PRO

o POST-PROCESADO FILTRADO Y TRATAMIENTO E LA SEÑALo HMI INTERFAZ GRÁFICAo EXCEL EXPORTACION A MS EXCEL

ESQUEMA ELECTRICOPRIMERA ETAPA - ADONDICIONAMIENTO

Figura 2. Esquema eléctrico de la primera etapa Para empezar, mediante el rango de temperatura establecido (-20ºC a 100ºC), se determina el rango óhmico de salida de laRTD, esto a partir de la tabla de RTD Pt-100 normalizada paraal estándar IEC751. Con dicho dato se establecen losparámetros del Amplificador de Instrumentación (Offset,Span). Cabe destacar que la RTD se conecta al Amplificador enparalelo a una fuente de corriente constante de 200uA paraobtener un valor de voltaje, el cual se amplifica de acuerdoal parámetro Span.

Posteriormente, se tiene un segundo elemento activo(Amplificador Operacional LM741) que se encarga de corregirel error de Offset del sensor. Finalmente, la salida (Vout), varía de 0V a 5V para -20ºC y100ºC respectivamente.

SEGUNDA ETAPA – CONVERSION V/F

Figura 3. Esquema eléctrico de la segunda etapa

Hasta el momento, se había conseguido representar latemperatura con una señal de salida en voltaje, pero dada lanecesidad de transmitirla a largas distancias y enfrecuencia, se implementa un circuito basado en el integradoVCF32, acompañado de 3 elementos pasivos principales (R1, C1y C2) dos elementos de filtrado y una resistencia de PullUp ala salida.El rango de operación se ha establecido para una entrada de 0a 5V una salida de 0 a 10Khz respectivamente.

TERCERA ETAPA – CONVERSION F/V

Figura 4. Esquema eléctrico de la tercera etapa

Ahora bien, para obtener nuevamente un nivel de voltaje apartir de la señal en frecuencia, se implementa un circuitobasado en el mismo circuito integrado usado en la etapaanterior, pero con unas pequeñas alteraciones en elconexionado. Finalmente se obtiene una señal de voltaje 0Vpara un nivel de temperatura mínima, y 5V para un nivel detemperatura máxima. CUARTA ETAPA – TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS

Figura 5. Tarjeta de Adquisición de Datos PCI9112 Para poder procesar la señal en ordenador, es necesario antesacondicionarla a través de una tarjeta que para el presentecaso, tiene interfaz PCI, es decir, es conectada dentro delordenador. Dicha interfaz tiene diferentes funciones entrelas cuales destacan los conversores análogo a digital (ADC),del cual para el presente trabajo se utiliza uno. Después deesto, ya se tiene entonces una señal digital que se puedetratar a nivel de software.

QUINTA ETAPA – TRATAMIENTO POR ORDENADORFinalmente, ya con una señal digital se procede a realizar elprograma que se detallara en el apartado PROGRAMACION.

CALCULOSETAPA 1Temperatura -20ºC A 100ºCRTD 92.16Ω A 138.5ΩRTD (V) 18.432mV A 27.2mVSalida Deseada del AI 0V A 5VParámetros a determinar Offset (O) y Span (G)Parámetro Span (G)

RG (AD620 )=49.4KΩG−1

Ahora bien

G=5−0

0.0272−0.018432V=539.491Entonces:

RG=91.3984

Parámetro Offset (O)O=VRTDMINIMO∗G=0.018432V∗539.491=9.9439V

Este valor de offset se debe restar a la salida. Para elpresente caso, se realiza mediante la entrada REF delAmplificador de Instrumentación. Para conseguirlo, seimplementa un divisor de tensión conectado a la patilla REF através de un seguidor de voltaje.Los parámetros R1 y R2 del divisor son:R1=4,7K

R2=Offset∗R1VCC−Offset

=9.9439∗4.7KΩ15−9.9439

=9.244KΩ

ETAPA 2Entrada 0V A 5VSalida 0KHz A 10KHzParámetros a determinar C1, C2, R1

Periodo (T )=0.0001STOS=25%T=0.000025S

∆ V=10Vi2=1mA

C1=TOS

7500=0.0000257500

=3.33nF

R1=VOUTMAX

FOUTMAX∗TOS∗1mA=

510000∗0.000025∗0.001

=20KΩ

C2=i2∗TOS

∆V=0.001∗0.000025

10=2.5nF

ETAPA 3Los parámetros son los mismos que los de la Etapa 2.

PROGRAMACIONCAPTURA DE LA INTERFAZ DE USUARIO

Figura 6. Captura de la Interfaz de Usuario en VeePro

CAPTURAS DEL PROGRAMA DE VEEPRO

Figura 7. Capturas del Programa en VeePro

EVALUACION

Para comprobar que la lectura de la temperatura es correcta,se realiza una simulación con la ayuda de Multímetro con lafuncionalidad de emular una RTD para valores concretos detemperatura, reemplazando así el sensor y verificando paralos límites de temperatura y algunos valores intermedios.

Se encuentra entonces que existen desajustes en la Ganancia yel Offset. Luego de calibrar dichos parámetros, se verificaque cada etapa cumpla con los requisitos establecidos. Finalmente se conecta el sensor y se pone a prueba en elordenador, arrojando resultados satisfactorios.

LIMITACIONES

Un aspecto importante a resaltar es que el sistema ha sidoacondicionado para funcionar única y exclusivamente entre losrangos establecidos, es decir, entre -20ºC y 100ºC, portanto, la medición de temperaturas por debajo o por encima dedicho rango, implicaran una lectura nula o saturada.Esto no es un problema, pues el sistema funciona para unambiente controlado, donde las temperaturas por fuera dedicho rango no serían posibles, o sencillamente no estáncontempladas en los objetivos del proyecto.

ERRORES

Dado que una RTD es un sensor de poca sensibilidad, al seracondicionado mediante un Amplificador de Instrumentación, sehace necesario amplificar con valores elevados de Ganancia.Esto implica que si en el sensor se induce ruido, éste seráamplificado también, por tanto, se hace necesario laimplementación rigurosa de un buen blindaje.Durante el desarrollo del proyecto, este problema se presentópero la buena colocación y la implementación de un pequeñofiltro pasa bajo pasivo, fueron justos y suficientes.

SOLUCIONES ALTERNATIVAS

Alternativamente, el diseño pudo variar sobre todo en lasprimeras etapas, por ejemplo la RTD pudo haberse conectadomediante un montaje potenciométrico, o un montaje en puente,pero tienen la desventaja de presentar No Linealidades altas,por tanto los mejores resultados se logran con fuente decorriente en paralelo a la RTD. Por otro lado, la segunda ytercera etapa se pudo haber realizado un poco másdetalladamente mediante amplificadores operacionales ycircuitos monoestables, teniendo así la ventaja de tener todoel control interno que no se tiene con los integradosempleados (VFC32), pero esto significaría más circuitería ypor tanto, más probabilidades de ruido y de imprecisión encaso de un mal ajuste. En general, el diseño podríaconsiderarse muy genérico, por lo cual no sería fácilcontemplar otra solución quizá un poco más eficiente.Quizá pudo haberse evitado la implementación del ConversorF/V conectando directamente la señal de salida (frecuencia)en una entrada digital de la Tarjeta de Adquisición, ymediante software de-modular dicha señal mediante contadores.

CONCLUSIONES

REFERENCIAS

MANDADO PÉREZ Enrique, Instrumentación Electrónica,Editorial MARCOMBO, 1ª Edición, 1995.

Datasheet VFC32 Disponible en:http://www.ti.com/lit/ds/symlink/vfc32.pdf

Datasheet AD620 Disponible en: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD620.pdf

Tabla Pt-100 Disponible en: http://instrumentacion.webcindario.com/Tabla%20Pt100.pdf

RTD Theory Disponible en:http://www.pyromation.com/Downloads/Doc/Training_RTD_Theory.pdf