Laboratorio #3

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA







ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES: Ajuste de Cero, Ganancia y Visualización

GARCÍA, María 17211796

GUZMÁN, Andrea 82288435

SUÁREZ, Alfonso 18246866

WILHELM, Neucrates 16629568

Ciudad Guayana, marzo de 2009

Introducción

Los sensores resistivos representan la gama más amplia disponible de sensores en el mercado. Esto se debe a la facilidad con la cual pueden ser diseñados los acondicionadores colocados a su salida y la alta flexibilidad con la que se pueden diseñar los circuitos de alimentación y los circuitos para corregir errores en la medición. El origen de estos errores viene dado por las grandes diferencias entre los materiales y consideraciones de fabricación tomados en cuenta en los sensores resistivos. Los hay de materiales conductores y semiconductores, y en distintos tamaños y formas, para aplicaciones como la medida de esfuerzo, luminosidad, posición, y la que se analiza en este laboratorio, temperatura.

Objetivos

· Lograr el ajuste del error de cero.
· Lograr el ajuste del error de ganancia.
· Visualizar los resultados en display.
· Elaborar un Datasheet de un equipo de medida.

Tipos de Instrumentos para Medición de Temperatura

Los diferentes tipos de instrumentos que son usados para la medición de la temperatura son básicamente los siguientes:

ü Termómetro de Vidrio
ü Termómetro Bimetálico
ü Termopares
ü Termoresistencia ( RTD )
ü Pirómetro de Radiación

Termorresistencias (Variable térmica)

Sensores pasivos de tipo analógico basados en el cambio de resistividad eléctrica de algunos metales o semiconductores con la temperatura.

Los conductores eléctricos presentan un aumento de resistencia con la temperatura.

Aprovechando esta propiedad se construyen sondas analógicas de temperatura. Para ello es preciso utilizar un material cuyo coeficiente (coeficiente térmico de resistencia) se mantenga relativamente constante y de una buena sensibilidad. Las sondas industriales se suelen construir a base de Platino cuyo coeficiente térmico es 0.00385 °C-1, dichas sondas suelen tener un valor nominal de 100 a 0°C, de donde se deriva el nombre Pt100. Las sondas Pt100 son aptas para un rango de temperaturas entre -250°C y 850°C, teniendo muy buena linealidad entre -200°C y 500°C

Termistores (Variables térmicas)

Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc.

La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:
,
donde A y B son constantes que dependen del termistor.

La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.

Si se sigue aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad.


Circuitos de Acondicionamiento.
Puente de Wheastone


Es el método habitual para obtener una señal eléctrica de salida en función de la magnitud a medir con el puente. Normalmente, para x=0 el puente debe estar equilibrado, es decir, los dos divisores de tensión presentan la misma tensión de salida. En el equilibrio se debe cumplir que:

R1/R4=R2/R0=k
La tensión de salida Vs se puede expresar en función de k y x:

Vo= V(kx/((k+1)(k+1+x)))

De la expresión anterior se deduce que la salida del puente sólo es lineal con x si k+1 es mucho mayor que x. En las figuras se muestra la tensión de salida del puente en función de x para varios valores de k.

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 encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).

La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.



Error de cero
Son aquellos que se presentan cuando el ajuste del cero de los instrumentos no está bien definido, es decir, cuando el instrumento de medida se encuentra descalibrado. Por ejemplo, el que tiene una balanza cuyo cero no está bien ajustado por defecto de los brazos. Estos errores de deben detectar e intentar eliminar, ya que no admiten tratamiento estadístico.

Error de ganancia
El error de ganancia se define como la diferencia entre el valor de ganancia nominal (ganancia esperada, calculada) y la ganancia real. Este valor se calcula cuando el error por compensación es nulo, caso contrario se obtendrá un error en un cálculo generado por otro error. Es proporcional al valor de la entrada.

Error de no linealidad
Se especifica como la desviación máxima con respecto a la línea recta, se define como la máxima diferencia entre la característica de transferencia real con respecto a una línea recta (generalmente se supone como la característica ideal).

Descripción del circuito propuesto.

El circuito propuesto consiste básicamente de dos etapas, una en la que se amplifica y acondiciona la señal proveniente del sensor, para lo cual se usó un puente de Wheastone, ya que este permite que el voltaje de salida sea una función de la variable medida, en este caso, la temperatura del bombillo. Para determinar el valor de las resistencias, se considera la variación de resistencia del sensor desde su mínimo hasta su máximo en el margen de medida, haciendo que el puente, en su punto de equilibrio tuviera como salida cero volts, y para el maximo valor de la termorresistencia 0,46Volts. El amplificador de instrumentación se usa para llevar los valores de salida a valores manejables por un PIC de modo que la variación entre cada grado se mayo, en este caso de cero a 4volts, con lo cuál se hace un cálculo de resistencia para hacer la ganancia igual a 8,695, colocando un potenciómetro como regulador de la ganancia del circuito.

En el pic se procesan las salidas de los circuitos de la RTC y NTC, haciendo una conversión analógica-digital, para su posterior visualización en una pantalla LCD de la temperatura.


PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En esta práctica se visualizo la salida de dos circuitos de acondicionamiento para un termistor RS 256-073 y una termorresistencia RS 341-452, para lo cual se contó con una maqueta donde se generan valores de temperatura que van desde 25ºC (temperatura ambiente), hasta poco mas de los 100ºC; haciendo uso de un dimmer para regular la intensidad de luz en el bombillo dentro de la maqueta, para aumentar o disminuir la temperatura; se colocaron los sensores aproxidamente en el mismo punto y se registraron valores de temperatura tanto del circuito del termistor como del de la termorresistencia, para cada valor de temperatura, en intervalos de separación de 25ºC. Las medidas para 0ºC, se realizaron usando cubos de hielo.

Para cada valor de temperatura se tomaron cinco valores de temperatura separadas entre si en tiempos de 30 segundos y se realizaron las medidas desde el mayor valor hasta el menor y luego de forma ascendente para establecer la histéresis del sensor.