Sensor de Temepratura

5/12/2018 Sensor de Temepratura - slidepdf.com

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL, IPN

E cuela S perior de I geniería M cánica y

E ,ectrónica. . . . .S I M E nidad Culhuacan

“PROMEDIO DE TENSIÓN DERIVADA DE

LA DETECCIÓN DE TEMPERATURA”

:laborado por

. Andrés Flores Cortés

. Federico David Cruz Brieño

. Humberto Rodríguez Aguilar

. Julio César Guzmán López

. Ricardo Castaneira Ladislao

:rupo 8 5V :echa 29- -2011bril

:ateria

nstrumentación de Procesos

:rofesor

.ng Edgar Pérez Maya

ÍÍNDICENDICE

1



ÍNDICE .............................................................................................................................................1

OBJETIVO .......................................................................................................................................4

SISTEMAS DE CONTROL ................................................................................................. ..... ..... .4

SISTEMA A LAZO ABIERTO......................................................................................................................... 4SISTEMA A LAZO CERRADO........................................................................................................................ 5EJEMPLO PRÁCTICO: CALDERA.................................................................................................................... 5

LM35 ............................................................................................................................................ .....6

FUNCIONAMIENTO.................................................................................................................................... 6CARACTERÍSTICAS.................................................................................................................................... 7

TERMOPAR ................................................................................................................................. ...7

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO................................................................................................................ 7

CARACTERÍSTICAS DEL INSTRUMENTO A DISEÑAR .................................... ..... ..... ..... ....8

AMPLIFICADOR OPERACIONAL ............................................................................................10

FUNCIONAMIENTO.................................................................................................................................. 10CONFIGURACIÓN DE I NVERSOR .................................................................................................................. 11CONFIGURACIÓN DE DIFERENCIADOR .......................................................................................................... 11CONFIGURACIÓN AMPLIFICADOR DE I NSTRUMENTACIÓN................................................................................12AMPLIFICADOR ESPECIALIZADO: AD595 – AMPLIFICADOR MONOLÍTICO CON COMPENSACIÓN DE UNIÓN FRÍA PARA TERMOPAR ............................................................................................................................................. 12CONFIGURACIÓN DE SEGUIDOR DE TENSIÓN Ó BUFFER .................................................................................13CONFIGURACIÓN SUMADOR ....................................................................................................................... 13CAMBIADOR DE VOLTAJE A CORRIENTE ACTIVO: “SURTIDOR DE CORRIENTE HOWLAND MEJORADO” ....................14

CÁLCULOS PARA EL CIRCUITO TRANSDUCTOR.............................................................15

CONSIDERACIONES FÍSICAS...................................................................................................................... 15

CONVECCIÓN.......................................................................................................................................... 15PRIMERA ETAPA..................................................................................................................................... 15SEGUNDA ETAPA..................................................................................................................................... 17TERCERA ETAPA.................................................................................................................................... 18CUARTA ETAPA..................................................................................................................................... 19QUINTA ETAPA....................................................................................................................................... 19

2



CIRCUITO ........................................................................................................................... ..........24

LISTA DE MATERIALES ............................................................................................................24

CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL ................................................................................25

PUERTO PARALELO ............................................................................................................... ...26

DESCRIPCIÓN FÍSICA............................................................................................................................... 27INTERFASE ELECTRÓNICA DE ENTRADA Y SALIDA PARA PUERTO PARALELO...................................................28CIRCUITO.............................................................................................................................................. 29LIBRERÍA ‘INPOUT32.DLL’ ......................................................................................................................29

DISEÑO DEL SOFTWARE ..........................................................................................................30

DIAGRAMA DE FLUJO.............................................................................................................................. 31

SWITCH DIGITAL .................................................................................................................... ...31

OPTO-ACOPLADOR Y.............................................................................................................................. 31CIRCUITO.............................................................................................................................................. 32

CONCLUSIÓN GENERAL ..................................................................................................... .....33

CALDERA, CONTROLADA A LAZO CERRADO...................................................................34

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................... .36

CIBEROGRAFÍA........................................................................................................................................ 36DOCUMENTOS TÉCNICOS: ..........................................................................................................................36HOJAS DE DATOS: ....................................................................................................................................36TABLA DE CONVERSIÓN........................................................................................................................... 36

3



OOBJETIVOBJETIVO

Diseñar un sistema de control propio en base a los conocimientos , ,adquiridos en clase esto es lograr desarrollar en base a los

requerimientos funcionales y estándares básicos de los diferentes .dispositivos de instrumentación

Particularmente será diseñado un sistema de control de temperatura , , .con retroalimentación o sea a lazo cerrado

SSISTEMASISTEMAS DEDE CONTROLCONTROL

,Los sistemas de control son un método de análisis gráfico matemático y físico de la relación entre una entrada a un sistema ó

, .proceso y el resultado obtenido de este sea una salida Entiéndase por sistema a la combinación de componentes que actúan

.conjuntamente y cumplen un determinado objetivo

La entrada es considerada una variable del sistema tal que una modificación de su magnitud ó condición puede alterar el estado del

. .sistema La salida en cambio es una magnitud que se puede medir En la realidad existen diversos factores que afectan el proceso entre

,una entrada y una salida este tipo de señales llamadas ,perturbaciones tienden a afectar el valor de salida de un sistema

,pueden ser perturbaciones internas o externas dónde éstas últimas .son consideradas entradas al sistema

El control aplicado a un sistema dinámico puede ocurrir de dos ,formas cuando el controlador recibe un valor de referencia y ejecuta

comandos predeterminados para establecer las entradas del sistema ,y así obtener el resultado deseado esto es un sistema a lazo

;abierto mientras que puede suceder que el controlador recibe ,además de un valor de referencia está programado para determinar

la relación entre el resultado del proceso del sistema y corregir los ,factores internos del sistema con nuevos comandos de entrada

.entiéndase a éste método por lazo cerrado

SSISTEMAISTEMA AA LAZOLAZO ABIERTOABIERTO

Un control a lazo abierto computa su referencia en el estado actual .en que se encuentra el modelo del sistema

Una característica de un sistema controlado a lazo abierto no utiliza retroalimentación para determinar entre si la salida ha alcanzado el

.valor deseado a partir del valor de referencia Consecuentemente un

4



sistema controlado a lazo abierto no puede ajustar o reaccionar de , .manera empírica tampoco corregir errores que podría tener Puede

.también no compensar las perturbaciones el sistema

SSISTEMAISTEMA AA LAZOLAZO CERRADOCERRADO

Son los sistemas en los que la acción de control está en función de .la señal de salida Los sistemas de circuito cerrado usan la

retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de . ,control en consecuencia En este tipo de sistemas las señales de

salida y de entrada están relacionadas mediante un bucle de

,realimentación a través del cual la señal de salida influye sobre la . ,de entrada De esta forma la señal de salida tiene efecto sobre la .acción de control

Estos sistemas de control se pueden representar mediante el :siguiente esquema

,En estos sistemas existe un elemento denominado captador o ,sensor que es capaz de detectar los cambios que se producen en la

,salida y llevar esa información al dispositivo de control que podrá actuar en consonancia con la información recibida para conseguir la

.señal de salida deseada

,Por tanto los sistemas de control en lazo cerrado son capaces de ,controlar en cada momento lo que ocurre a la salida del sistema y

. ,modificarlo si es necesario De esta manera el sistema es capaz de ,funcionar por sí solo de forma automática y cíclica sin necesidad de

. ,intervención humana Estos sistemas capaces de autocontrolarse sin ,que intervenga una persona reciben el nombre de sistemas de

.control automáticosE JEMPLO PRÁCTICO: CALDERA

Un ejemplo práctico es el del control de la temperatura en una , , ,caldera en dónde el valor que será modificado salida es la

, ,temperatura y para lo cual se requieren sensores de temperatura el sistema ó proceso es aquel que calienta el agua y nuestro

5



,controlador estará propuesto para cualquier opción cómo PIC PLC ó .PC

La práctica consiste en diseñar e implementar un sistema de caldera ,que cuente con sensores de temperatura transductores que adapten

, -la señal de los sensores convertidor A D que interpreta la señal de los transductores y la proporciona a interpretación para un sistema

, , ,digital PLC PIC ó PC que de recibir la información de los sensores la interpreta y genera los estados de control necesarios para controlar

,el proceso ó sistema una interfaz de comunicación para entradas y , ,salidas amplificadores que retribuyan a la señal de control el

.proceso de encendido para el calentador

LM35LM35

35La serie de circuitos integrados LM son sensores de temperatura ,de precisión cuya salida de tensión es linealmente proporcional a la

( ).temperatura en °C grados centígrados

FFUNCIONAMIENTOUNCIONAMIENTO

El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir calor o .frialdad La transferencia de calor es un proceso por el que se

intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos ya sea , .por convección radiación ó conducción

,En cuanto a los sólidos se supone que el moviendo de los electrones libres transportan energía de mayor o menor medida cuando existe

.una diferencia de temperatura

6



. . 35De esta forma se puede entender al C I LM cómo un semiconductor cuyos electrones libres se ven afectados por las

,variaciones de temperatura produciendo cómo tal un cambio en la .tensión de salida con base a la tensión de referencia

CCARACTERÍSTICASARACTERÍSTICAS

35 ( , , , )La hoja de datos del LM A C CA D nos enseña a utilizar el .dispositivo de la mejor manera posible

Encontramos que es linear su comportamiento en una escala de

10mV

C °.

-55 150 .Su rango de funcionamiento va desde los °C hasta °C

/ 4 30 .La tensión de referencia alimentación puede ser de hasta V

Tiene un consumo de corriente menor a 60 A µ .

0.1 1 Tiene una impedancia de entrada de ohm por cada mA en la .carga

TTERMOPARERMOPAR

Uno de los dispositivos usados más ampliamente para la medición de . ,temperatura Sea para aplicaciones industriales comerciales ó

,científicas un termopar ofrece una solución efectiva en la medición de temperaturas en diferentes ambientes con grandes rangos de

.temperatura

PPRINCIPIORINCIPIO DEDE FUNCIONAMIENTOFUNCIONAMIENTO

1821Los principios básicos de los termopares fueron descubiertos en .por Thomas Seebeck Cuando dos metales diferentes son unidos en

,sus extremos y alguno de los extremos es calentado una corriente .fluye Si el ciclo se interrumpe en el centro un circuito abierto de

( )tensión Tensión de Seebeck es generado y es proporcional a la . ,diferencia de temperatura entre las dos uniones Por lo tanto para

,determinar la temperatura en la unión medidora la unión de .referencia debe ser conocida

0Un baño de hielo proporciona un bien definida temperatura de °C .para la unión de referencia Éste procedimiento se ha convertido en

7



un estándar para la salida de tensión de un termopar para con .tablas de referencia de diferentes uniones de metales

Éstas combinaciones han sido caracterizadas y clasificadas por el (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología formalmente llamado

).Buró Nacional de Estándares La siguiente tabla muestra la composición y características de los termopares más comúnmente

.usados

Código

ANSI

Combinación de Aleaciones

Rangos de Temperatura

[ ]Máximo °C

Salida en mV

B /Platino Rodio 0 – 1700 0 – 12.4

E /Cromo Constantan -200 – 900 -8.8 – 68.78

J /Hierro Constantan 0 – 750 0 – 42.28

K /Cromo Aluminio -200 – 1250 -5.9 – 50.6

N /Nicrosil Nisil -270 – 1300 -4.3 – 47.5

R / -Platino RodioPlatino 0 – 1450 0 – 16.74

S / -Platino RodioPlatino 0 – 1450 0 – 14.97

T /Cobre Constantan -200 – 350 -5.6 – 17.8

CCARACTERÍSTICASARACTERÍSTICAS DELDEL IINSTRUMENTONSTRUMENTO AA DISEÑARDISEÑAR

( )El dispositivo mide la temperatura del líquido agua dentro de éste . . 35,por medio de dos termopares y un C I LM el resultado de éstas

señales será enviado a un PLC para poder crear un lazo cerrado de :control con el elemento calentador del líquido contenido en la jarra

8



El circuito que objeta medir el promedio de la temperatura en cualquier punto de la jarra para poder procesar en un dispositivo de

.control las acciones pertinentes Contamos con una serie de procesos :para manipular la variable controlada

• Sensores

• Amplificación

• Supresión a cero

• Amplificación fina

• Promedio de señales

• Convertidor Voltaje a Corriente

• Convertidor Analógico Digital

• Control de encendido digital para el calefactor

17 100 .El dispositivo considerará lecturas que van desde °C hasta °C

Para el proceso de Amplificación los dispositivos deberán 2 17 .proporcionar V cuando la lectura sea de °C

17En la tercera etapa se solicita que de los ° C la lectura sea 0 .equivalente a V

,Una vez la señal sea obtenida es necesario evitar alteraciones por .parte del medio ambiente con un filtro offset

9



, 0 10Posteriormente las señales estandarizadas de a V provenientes .de cada sensor y su respectiva amplificación será promediada

0 10 ,Con un rango de entrada de a V el dispositivo hará la 4 20 .conversión proporcional para un rango correspondiente de a mA

La tensión promedio resultante de los dos termopares y el sensor 35LM después de ser normalizada será interpretada por un circuito / .convertidor analógico digital

8La señal de bits digital la interpretamos através del puerto paralelo ,a un software de implementación que interpretará el valor

.equivalente para sus modificaciones y la toma de decisiones

, , (1El sistema controlador PC enviará una señal continua bit en nivel )alto mientras la temperatura de la caldera no sea la indicada por el

, - .sistema sea el valor de referencia ó set point

La señal proveniente del puerto paralelo llegará a un dispositivo de control de encendido que acopla la señal digital para producir una

modulación de la tensión de alimentación de corriente alterna para .la resistencia calefactora

AAMPLIFICADORMPLIFICADOR OOPERACIONALPERACIONAL

,Circuito electrónico con la característica de tener dos entradas una , ,inversora y la otra no inversora y una salida equivalente a la

diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor de .ganancia

FFUNCIONAMIENTOUNCIONAMIENTO

Un amplificador Operacional idealmente debería poseer las siguientes :características

• .Ganancia infinita a lazo abierto

• .Salida infinita de tensión

• .Ancho de banda infinito

• .Impedancia de entrada infinito

• .Nula corriente en las entradas

• .Nulo desplazamiento de tensión

• .Relación de cambio en la tensión de salida es ilimitada

• .Impedancia de salida nula

• .Sin ruido

• .Relación de rechazo en modo común infinita

10



• .Relación de rechazo de ruido de alimentación

En realidad los amplificadores operacionales no presentan dichas características y por lo tanto se recurre a las especificaciones del fabricante para escoger de manera adecuada con respecto a

.nuestras necesidades el amplificador operacionalCONFIGURACIÓN DE INVERSOR

Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la , , , ,de entrada en polaridad aunque pude ser mayor igual o menor

dependiendo esto de la ganancia que le demos al amplificador en .lazo cerrado

CONFIGURACIÓN DE DIFERENCIADOR

Su comportamiento se basa en amplificar la diferencia entre dos .tensiones de entrada mediante una constante de cambio ó ganancia

11



CONFIGURACIÓN AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN.

Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir .de amplificadores operacionales Está diseñado para tener una alta

( ).impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común CMRR Se puede construir a base de componentes discretos o se puede

( 114).encontrar encapsulado por ejemplo el INA La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada

.por un factor

Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy , ( ,débiles tales como equipos médicos por ejemplo el

), .electrocardiograma para minimizar el error de medida

AMPLIFICADOR ESPECIALIZADO: AD595 – AMPLIFICADOR MONOLÍTICO CON COMPENSACIÓN DE UNIÓN FRÍA PARA TERMOPAR.

Es un amplificador de instrumentación completo y compensador de .unión en frío en un chip monolítico Combina una referencia de punto

de hielo con un amplificador precalibrado para producir una señal de

alto nivel ( )10mV C ° ,en la salida directamente de la señal recibida de

.un termopar

Incluye una alarma de falla en el termopar que indica si una o .ambas líneas del termopar se desconectan La alarma incluye una

.salida flexible de señal TTL

12



Puede ser alimentado por una señal monolateral y si es alimentado , 0con una fuente negativa temperaturas menores a °C pueden ser

.medidas

595 ( -El AD está calibrado con láser para termopares tipo K aluminio).cromo

CONFIGURACIÓN DE SEGUIDOR DE TENSIÓN Ó BUFFER

, También conocido cómo amortiguador amplificador de tensión es ,utilizado para transferir una tensión desde un primer circuito

,teniendo éste un nivel de impedancia de salida alto hacia un circuito .con un nivel de impedancia de entrada bajo Previene que el

segundo circuito cargue al primer circuito de manera que interfiera .con las operaciones deseadas

CONFIGURACIÓN SUMADOR.

Cuándo 1 2 3 n R R R R R= = = = y / f R R n= , se obtiene una configuración de :promediador

13



CAMBIADOR DE VOLTAJE A CORRIENTE ACTIVO: “SURTIDOR DE CORRIENTE HOWLAND MEJORADO”

La ganancia en éste circuito viene dada por el valor de R13,modificada por la relación de R14/R15 ( 1/1).generalmente Consecuentemente se pueden usar valores pequeños para R13 y para

100 1 .

las demás resistencias valores de K hasta M ohm Cabe remarcar la existencia de los CI 110TR cuyas características permiten realizar ésta función de manera correcta sin involucrar

, .cálculos complejos su verdadero inconveniente yace en su alto costo

14



CCÁLCULOSÁLCULOS PARAPARA ELEL CIRCUITOCIRCUITO TRANSDUCTORTRANSDUCTOR..

CCONSIDERACIONESONSIDERACIONES FÍSICASFÍSICAS..

El objetivo de ésta práctica consiste en detectar qué temperatura es ,la que rige actualmente el líquido contenido en nuestra caldera

habremos de considerar entonces el comportamiento en altas .temperaturas de los fluidos

CONVECCIÓN

En líquidos y gases la convección es usualmente la forma más .eficiente de transferir calor La convección tiene lugar cuando áreas

.de fluido caliente ascienden hacia las regiones de fluido frío Cuando ,esto ocurre el fluido frío desciende tomando el lugar del fluido

.caliente que ascendió Este ciclo da lugar a una continua circulación .en que el calor se transfiere a las regiones frías Puede ver como

.tiene lugar la convección cuando hierve agua en una olla Las burbujas son las regiones calientes de agua que ascienden hacia las .regiones más frías de la superficie

Por tanto es prudente considerar la inclusión de más de un sensor ,localizado en diferentes zonas del contenedor y así obtener una

lectura completa que podremos promediar y así considerar un nivel .de exactitud mayor

PPRIMERARIMERA ETAPAETAPA

17Amplificar la señal de salida del sensor de tal forma que a ° C 2 .obtengamos un valor de caída de tensión equivalente a V

17 100 ,Siendo nuestro rango de lectura de ° C a ° C debemos primero determinar la caída de tensión ocurrida en el valor superior de la .escala

Temperatura Sensor Amplificación

17° C 170 mV 2V

100° C 100 mV 11.764

11.764.La ganancia entonces es de

:Aplicando los cálculos de ganancia para un amplificador inversor

15



2

1

2

1

2

1

211.764

0.17

OUT IN

OUT

IN

RV V

R

V R

V R

R

R

= −

=

±= =

Siendo que para mejorar la precisión de los cálculos tomaremos cómo referencia la resistencia de retroalimentación con un valor de 1 .Megohm

2

185005.1

11.764

M R

Ω= =

82 3.3En valores para resistencias comerciales tenemos K ohm y K ohm con un error de ±5%, ,si las conectamos en serie tendríamos los

.siguientes posibles valores

Ideal +5% -5%

82000 ohm 86100 77900

3300 ohm 3465 3135

85300 89565 81035

:Varianza mínima 83167.5

:Varianza máxima 87432.5

:Error 2132.5

:Resistencia Total 85300 ±2.5%

, ,Ahora para escoger el Amplificador operacional se consideran en , , .este caso la reducción de ruido bajo desplazamiento de la tensión

:Para ello consideramos los siguientes dispositivos

Dispositivo Precio ($ )MXN

Alimentación ( )Máxima ( )CMRR dB Offset Drift

(µ / )V °C

0044 LH Indefinido 44± V 120 0.5

412 LF $20 36± V 100 10

741 LM $5 22± V 90 15

081TL $8 36± V 89 18

16



0044El dispositivo LH es excelente para la implementación de ésta ,etapa lamentablemente su costo no nos permite hacer uso de sus

. 412,propiedades El siguiente en la lista sería el LF pero no tenemos la capacidad de controlar el ruido ni el desplazamiento de manera

. 081externa Hemos escogido el dispositivo TL por ser económico y

,fácil de controlar además de tener características adecuadas para la etapa de amplificación en comparación con el último dispositivo el 741 12LM sólo puede ser alimentado por un máximo de ± V lo que

nos impide utilizarlo en el sistema ya que esperamos una 11.7 ,amplificación pico de V todos los demás dispositivos pueden ser

30 .alimentados con hasta ± V

SSEGUNDAEGUNDA ETAPAETAPA

Modificar la señal de salida de la primera etapa a manera que los 0 10valores obtenidos nos proporcione un rango de a V dentro de

17 100 .nuestra escala de lectura que es de ° C a ° C

Para ello emplearemos un circuito de tipo amplificador diferenciador .que realice la siguiente operación

2 1OUT V V V = −

:Dónde

0; 2

10; 11.7 12

Min IN

Max IN

V V V

V V V

= =

= = ≈:Entonces

2

2

2

10 ( 11.7)

1.7

2

V

V

V V

= − −− =

−;

17



,Para obtener una tensión tan precisa utilizamos un arreglo del tipo -divisor de tensión con un potenciómetro de precisión ó trim pot

+15 -15 ;alimentado en uno de sus extremos con V y en el otro pin V .resultando en el siguiente circuito

TTERCERAERCERA ETAPAETAPA

,La señal circulará sin cambios aparentes más que eliminar ruidos .innecesarios y proteger las dos etapas anteriores Para ello

emplearemos un amplificador operacional con un alto nivel de .relación de rechazo en modo común Considerando la delicadeza con

,la que se debe manejar la señal en ésta parte del proceso la opción 412más clara es utilizar un LF por su capacidad de rechazo que es

.muy elevada

18



CCUARTAUARTA EETAPATAPA

Debemos obtener una tensión promedio resultante de las señales . . 35,establecidas provenientes de los dos termopares y el C I LM para

.esto utilizaremos la configuración no inversora

QQUINTAUINTA ETAPAETAPA

Deberemos convertir la señal de salida de la etapa anterior a una , 4 20 .corriente linealmente proporcional dentro del rango de a mA

“Para ésta etapa se aplicó la información redactada en A ”Comprehensive Study of the Howland Current Pump por National

.Semiconductors Utilizando la Fuente de Howland mejorada podemos :nosotros utilizar las siguientes relaciones para obtener nuestro rango

2 11 14

12 13 15

TRIM K R R R

R R R

Ω+

=+

El documento relata y explica las complicaciones físicas del dispositivo contra las matemáticas y una de ellas es la no existencia ,de resistencias perfectas recomienda por lo tanto utilizar

,potenciómetros de precisión para usar la menor cantidad de potenciómetros utilizaremos la recomendación de la fuente de

13corriente de Howland modificada que agrega una resistencia R capas de determinar la relación de ganancia entre la entrada y la

19



salida a modo que si se respeta la relación anterior tendríamos un :comportamiento ideal de

( )

13

IN IN

OUT

V V I

R

+ −

−=

Analizando entonces los requerimientos tenemos que si la entrada en , 10 ,el dispositivo es máxima o sea V la salida de la fuente deberá ser

20 .de mA Utilizando ley de Ohm obtenemos un valor para la :resistencia de ganancia

*:Nota 100Nuestro circuito fue calculado para que a °C 11.7 9.7obtengamos V y después de filtrar serían idealmente V

[ ][ ]

[ ]

[ ][ ]

39.7

20 10

9.7485

0.020

V I

R

V x A

R

V R

A

−

=

=

= = Ω

**:Nota Para la simulación y construcción del instrumento se 1%utilizarán resistencias con de error y en lugar de una resistencia

485 500 .de Ohm usaremos una resistencia de Ohm

( )Si analizamos ahora el rango SPAN de la fuente de corriente :tenemos que

[ ]

[ ]

34 10

485

IN OUT

V I x A

−= +

ΩCuándo

[ ]

[ ][ ]

[ ]

3

0

04 10

485

4

IN

OUT

OUT

V V

I x A

I mA

−

=

⇒

= +Ω

=

: Y análogamente podemos deducir entonces que

20



( )

[ ]

[ ]

[ ]

( )

( ) ( )

[ ]

13

3

13

3

3

4 10

0

485

4 10485

485 4 10 1.94

1.94

IN IN

OUT

OUT

IN

IN IN

IN

IN

V V

I R

I x A

V V

R

V V

x

V x

V V

+ −

+ −

−

+

−

−

−

−

−=

=

== Ω

−=

− = =

= −

:Simulando podemos observar que

21



,Conectando la fuente de Howland al la salida del buffer damos por .terminado el circuito

Con base en los cálculos realizados por toda la trayectoria se puede deducir una ecuación de relación entre la corriente medida y la

:temperatura

22



( )

( ) ( )

3

3

2 2

2

3

4 10485

2

11.764

( )(10 10 )

10 1011.764

210

11.764

485 4 10 2

11.764

BUFFEROUT

BUFFER AMPLIFICADOR

AMPLIFICADOR SENSOR

SENSOR

AMPLIFICADORSENSOR

BUFFER

OUT

V I x

V V

V V

V C x

V C V x x

V C x

I x

C

−

−

−

= +

= −

=

= °⇒

° = =

+ ° = − + ° =

210 x

, Tomando cómo ejemplo la salida de la corriente en la simulación

:aplicamos la ecuación anterior

( ) ( )

( ) ( )

[ ]

3 3

2

3

2

3 2

486 6.451 10 4 10 210

11.764

486 2.451 10 210

11.764

1.191186 2 3.19118610 1011.764 11.764

27.16

x x

C x

x

C x

C x x

C

− −

−

− + ° = + ° =

+ ° = =

° =27El sistema emula idealmente °C por lo que podemos deducir un

.correcto funcionamiento si aplicamos los cálculos correspondientes

23



CCIRCUITOIRCUITO

LLISTAISTA DEDE MATERIALESMATERIALES

Descripción Cantidad

Sensor 35LM 1

Sensor Termopar tipo K

2

Resistencia 100 Ω 4



Resistencia 1 K Ω 4

24



Resistencia 3.3 K Ω 6




Resistencia 1 M Ω 3

Potenciómetro 2 K Ω 1

Potenciómetro 10 K Ω 4

Capacitor 0.33 p F 1

Capacitor 4.7 p F 1

Capacitor 100 n F 2

Circuito Integrado 595AD 2

Circuito Integrado 084 TL 3

Circuito Integrado 7805LS 1

Diodo LED /Rojo Azul

2

CCONVERTIDORONVERTIDOR ANALÓGICOANALÓGICO--DIGITALDIGITAL

Es un dispositivo electrónico capaz de convertir una entrada ,analógica de voltaje en un valor binario Se utiliza en equipos

, ,electrónicos como ordenadores grabadores de sonido y de vídeo y . ,equipos de telecomunicaciones La señal analógica que varía de

,forma continua en el tiempo se conecta a la entrada del dispositivo ,y se somete a un muestreo a una velocidad fija obteniéndose así

.una señal digital a la salida del mismo

Estos conversores poseen dos señales de entrada llamadasREF V

+ y

REF V − que determinan el rango en el cual se convertirá una señal de

.entrada(El dispositivo establece una relación entre su entrada señal

) ( ) .analógica y su salida digital dependiendo de su resolución Esta ,resolución se puede saber siempre y cuando conozcamos el valor

máximo que la entrada de información utiliza y la cantidad máxima . ,de la salida en dígitos binarios A manera de ejemplo el convertidor

0800análogo digital ADC tiene la capacidad de convertir una muestra

25



0 5analógica de entre y voltios y su resolución será :respectivamente

= / (2^8)Resolución valor analógico

= 5 / 256Resolución V

= 0.0195 19.5 .Resolución v o mv=Resolución LSB

19.5Lo anterior quiere decir que por cada milivoltios que aumente el "nivel de tensión entre las entradas medidas como

REF V +" "y

REF V −"

,que ofician de entrada al conversor éste aumentará en una unidad ( ).su salida siempre sumando en forma binaria

VIN+6

VIN-7

VREF/29

CLK IN4

A GND8

RD2

WR3

INTR5

CS1

D GND10

DB7(MSB)11

DB612

DB513DB4 14

DB315

DB216

DB117

DB0(LSB)18

CLK R19

VCC20

U2

ADC0803

12

J1

TBLOCK-I2

R102k4

R112k4

V C C

1234

5

678

J5

SIL-100-08

R123k3

R133k3

R143k3

R153k3

R163k3

R173k3

R183k3

R193k3

D11LED-BLUE

D12LED-BLUE

D13LED-BLUE

D14LED-BLUE

D15LED-BLUE

D16LED-BLUE

D17LED-BLUE

D18LED-BLUE

R20

10k

C4

100p

JP1

JUMPER

DC_+12

123

J9

SIL-100-03

AGND

PUERTOPUERTO PARALELOPARALELO

Un puerto paralelo es una interfaz entre una computadora y un ,periférico cuya principal característica es que los bits de datos viajan

, . , juntos enviando un paquete de byte a la vez Es decir se implementa un cable o una vía física para cada BIT de datos

.formando un bus

,Hace años IBM diseñó el puerto paralelo para manejar impresoras / / .desde su gama de microcomputadores PC XT AT Un conector

25estándar macho de pines aparecía en la parte trasera del PC con .

el solo propósito de servir de interfaz con la impresora El sistema

operativo DOS cargado en dichos PC soporta hasta tres puertos 1, 2 3,paralelos asignados a los identificadores LPT LPT y LPT y cada

/puerto requiere tres direcciones consecutivas del espacio de E S ( - )entrada salida del procesador para seleccionar todas sus

.posibilidades

,Desde el punto de vista del hardware el puerto consta de un 25 (conector hembra DB con doce salidas latch poseen

26



/ ) ,memoria buffer intermedio y cinco entradas con ocho líneas de .tierra

,Desde el punto de vista del software el puerto paralelo consta de ( , ) 8 ,tres registros datos estado y control de bits cada uno que

/ ( / )ocupan tres direcciones de E S I O consecutivas de la arquitectura 86.x La función normal del puerto consiste en transferir datos a una

8 ,impresora mediante líneas de salida de datos usando las señales . ,restantes como control de flujo Sin embrago puede ser usado como

/un puerto E S de propósito general por cualquier dispositivo o / .aplicación que se ajuste a sus posibilidades de entrada salida

DDESCRIPCIÓNESCRIPCIÓN FÍSICAFÍSICA

La conexión del puerto paralelo al mundo exterior se realiza 25.mediante un conector hembra DB Observando el conector de

,frente y con la parte que tiene mayor número de pines hacia arriba

, 1 13se numera de derecha a izquierda y de arriba a abajo del al ( ) 14 25 ( ).arriba y del al abajo

:En este conector

27



• 8 ( ) ( ).líneas pines son para salida de datos bits de DATOS Sus ,valores son únicamente modificables a través de software y

2 ( 0, 0) 9 ( 7, 7).van del pin dato D al pin dato D

• 5 ( ),líneas son de entrada de datos bits de ESTADO únicamente . : 11,modificables a través del hardware externo Estos pines son

10, 12, 13 15, .y del más al menos significativo

• 4 ( ),líneas son de control bits de CONTROL numerados del más : 17, 16, 14 1. ,significativo al menos y Habitualmente son salidas

, ,aunque se pueden utilizar también como entradas y por tanto .se pueden modificar tanto por software como por hardware

• 18 25 .Las líneas a son la tierra

IINTERFASENTERFASE ELECTRÓNICAELECTRÓNICA DEDE ENTRADAENTRADA Y Y SALIDASALIDA PARAPARA PUERTOPUERTO PARALELOPARALELO..

Para comunicarse con el puerto paralelo de manera segura es

necesario reconocer que si el circuito del puerto paralelo del PC ,resulta dañado en el proceso de comunicación habrá que sustituir la ,tarjeta correspondiente para asegurar que esto no suceda es

necesario implementar un puente de seguridad para que en caso de sobrecarga la comunicación entre el sistema digital y el puerto

, .paralelo sea interrumpida protegiendo así la tarjeta de la PC

74 244 74 245Los circuitos integrados LS y LS son dispositivos de , .seguimiento de tensión ó buffers

1 1 4 2

1 5 3

1 6 4

1 7 5

1 8 6

1 9 7

2 0 8

2 1 9

2 2

1 0

2 3

1 1

2 4

1 2

2 5

1 3

PARALLELCONN-D25F

R1220R

R2220R

R3220R

R4220R

R5220R

R6220R

R7220R

R8220R

D02

D13

D24

D35

D46

D57

D68

D79

Q019

Q118

Q217

Q316

Q415

Q514

Q613

Q712

LE11

OE1

U1

74ALS573

A02

B018

A13

B117

A24

B216

A35

B315

A46

B414

A57

B513

A68

B612

A79

B711

CE19

AB/BA1

U3

74LS245

12

3

45

6

7

8

J2

SIL-100-08

12

34

5

67

8

J3

SIL-100-08

D2LED-RED

D3LED-RED

D4LED-RED

D5LED-RED

D6LED-RED

D7LED-RED

D8LED-RED

D9LED-RED

D10

LED

-BLUE

R9220R

1

2

J4

TBLOCK-I2

VCC

28



CCIRCUITOIRCUITO

LLIBRERÍAIBRERÍA ‘‘INPOUTINPOUT32.32.DLLDLL’’

Anteriormente comunicarse con el puerto paralelo era un método 95/98sencillo en las épocas del sistema operativo DOS con Windows

con la llegada de sistemas operativos basados en NT la simplicidad ,en la programación para puerto paralelo desapareció debes liberar

,los puertos programar una liberaría y un driver que le permita al sistema interpretar las operaciones realizadas en las direcciones

.destinadas al puerto paralelo

La solución es la implementación de una librería de código libre 32. ,Inpout dll desarrollada a modo de funcionar a nivel kernel su

funcionamiento básico empieza por reconocer la versión del sistema ,operativo cada que una función de la librería sea utilizada en caso

9de que el sistema operativo sea del tipo Win X utilizará los métodos ,clásicos sin afectar el funcionamiento de la programación cuando el

, 2000,sistema sea NT XP ó Vista instalará un driver en kernel y se .comunicará con el puerto paralelo con ese driver Llevando a cabo el

:siguiente proceso

29



32. :La librería Inpout dll implementa dos funciones básicas

• 32(),Inp lee los datos de una dirección de puerto paralelo .definida

• 32(),Out escribe datos hacia una dirección de puerto paralelo .definida

También posee otras funciones que pueden resultar útiles al .momento de programar

• (),DllMain es utilizada cuando la librería es cargada o ,descargada si es cargada la librería realiza la tarea antes

.descrita para comunicarse con el puerto paralelo

• (), ,CloseDriver bloquea el manejo el driver cargado es llamado .antes de cargar la librería

• (), .OpenDriver habilita un manejo para el driver de comunicación

DDISEÑOISEÑO DELDEL SOFTWARESOFTWARE

Los lenguajes de programación que pueden hacer uso de la librería

: ++, ++, ++,descrita anteriormente son Borland C DevC Visual C Visual , .Basic Java

El programa y su interfase deben ser capaces de enviar un pulso ,continuo para poder activar el switch digital lo cual indicaría que el

,sistema está calentándose para decidir cuándo enviar el nivel alto el sistema deberá interpretar una señal digital de entrada que es

.equivalente a la tensión proporcionada por el promediador

30



DDIAGRAMAIAGRAMA DEDE FLUJOFLUJO

SSWITCHWITCH DDIGITALIGITAL

El sistema tiene por objetivo controlar el tiempo que permanece .encendido el calefactor de la caldera

Un switch es por definición un sistema de control que restringe ó ,permite el flujo de corriente por una línea de transmisión siendo

éste de encendido digital y conectado a una línea de potencia .analógica es necesario tomar ciertas precauciones

OOPTOPTO--ACOPLADORACOPLADOR Y Y

- , -Un opto acoplador también llamado opto aislador o aislador ,acoplado ópticamente es un dispositivo de emisión y recepción que

funciona como un interruptor excitado mediante la luz emitida por - ,un diodo LED que satura un componente opto electrónico

- .normalmente en forma de fototransistor o foto triac De este modo , -se combinan en un solo dispositivo semiconductor un foto emisor y

31



.un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica Estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo

.general es del tipo DIP Se suelen utilizar para aislar eléctricamente .a dispositivos muy sensibles

El switch tipo triac bilateral ópticamente acoplado activado por luz 3031con cruce de cero MOC nos permiten trabajar con corrientes

5 400 .superiores a los A y caídas de tensión de más de V

CCIRCUITOIRCUITO

Zero

Crossing

1

2

6

4

MOC3031

MOC3031M

LED_BLANCOLED-BLUE

L1

220V

AC_CURRENT120V

B15V

C1100n

R1_330330

R1_470

470R

R2_330330R

R3_4747R

U1Q2004L4

R2_150150

1

2

PWM

TBLOCK-I2

1 2

CARGATBLOCK-I2

1

2

ALIMENTACION

TBLOCK-I2

FUSIBLE

0R1

Cómo consideraciones especiales hay que desarrollar la placa fenólica a modo que las líneas que tengan por objetivo soportar altas tensiones sean lo suficientemente gruesas para poder disipar el calor producido en el circuito por los altos niveles de corriente de manera

.eficiente y así prolongar la vida útil del dispositivo

32



CCONCLUSIÓNONCLUSIÓN GGENERALENERAL

Los sistemas de control clásico y modernos permiten al instrumentista proporcionar un nivel de control sobre una variable

,ambiental deseada dentro de un proceso esto resultó ser cierto al nosotros tener por objetivo controlar la temperatura de un sistema

,de caldera en dónde consideramos el efecto físico y químico de las ,sustancias a tratar en este caso en particular hablamos de la

,convección dónde el líquido es más frío en la parte baja de la ,caldera y en la parte superior mientras que en la parte central se

,encuentra la temperatura máxima debido a que manejamos altas temperaturas era necesario implementar un sellado hermético de alto calibre detalle que provocó fallos y la consecuente destrucción de varios sensores al no realizar la consideración de temperaturas

.extremas en las juntas

Éste tipo de proyectos nos han ayudado a reconocer la importancia ,de un sistema de control a lazo cerrado cada elemento que ,conforma un sistema de control a lazo cerrado la clasificación y las

.formas normalizadas para sistemas de control

33



CCALDERAALDERA,, CONTROLADACONTROLADA AA LAZOLAZO CERRADOCERRADO..

34



35



BBIBLIOGRAFÍAIBLIOGRAFÍA

CIBEROGRAFÍA

:// . .http www national com

:// . . /http forum allaboutcircuits com

:// . .http www wikipedia org

:// . .http www datasheetcatalog com

DOCUMENTOS TÉCNICOS:

& , - Jerry Steele Tim Green Tame those versatile current source , .circuits Apex Microtechnology Corp

, -31, .OpAmp Circuit Collection AN National Semiconductors

, -1515,A Comprehensive Study of the Howland Current Pump AN .National Semiconductors

Taking the uncertanity out of thermocouple temperature ( 594/595), -274,measurement with the AD AN Analog Devices

594/595, 360, Thermocouple Signal Conditioning Using the AD AN Analog Devices

, .Circuits I Have Known Ronald W Parker

HOJAS DE DATOS:

35,LM National Semiconductors

412,LF National Semiconductors

0044,LH National Semiconductors

-52,LB National Semiconductors

110, –XTR Burr Brown

595AD Analog Devices

TABLA DE CONVERSIÓN

Tensión de Lectura Temperatura °C

0 17.0

0.15 18.3

0.3 19.6

0.45 20.8

0.6 22.1

0.75 23.4

36

http://www.national.com/


http://forum.allaboutcircuits.com/


http://www.wikipedia.org/


http://www.datasheetcatalog.com/








0.9 24.7

1 25.5

1.1 26.4

1.2 27.2

1.3 28.1

1.4 28.9

1.5 29.8

1.6 30.6

1.7 31.5

1.8 32.3

1.9 33.2

2 34.0

2.2 35.7

2.4 37.4

2.6 39.1

2.8 40.8

3 42.5

3.2 44.2

3.4 45.9

3.6 47.6

3.8 49.3

4 51.0

4.5 55.3

5 59.5

5.5 63.8

37



6 68.0

6.5 72.3

7 76.5

7.5 80.8

8 85.0

8.5 89.3

9 93.5

9.5 97.8

10 102.0

38

Sensor de Temepratura

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