Introducción.
Actualmente, la mayoría de los procesos industriales requiere de un sistema electrónico de medida. Este sistema es imprescindible debido a que permite censar las diversas variables que ocurren dentro de una planta, para luego alimentar estas a sistemas de control que tomarán actuaran de acuerdo al comportamiento de estas variables con respecto a una referencia a fin de obtener siempre una respuestas adecuada a los requerimientos del sistema. Entre estas variables podemos mencionar:
- Temperatura.
- Presión.
- Flujo.
- Velocidad.
- Posición.
- Caudal.
Para cada una de estas variables existen en el mercado sensores o transductores cuya salida se puede acondicionar de acuerdo a las necesidades del sistema general y convertirse en parámetros para utilizarse en el proceso a manera de acciones de control. Es importante destacar que estos sensores, se acondicionan, de esta forma sus salidas pueden adaptarse mediante etapas posteriores para que funcionen con diversos conversores analógicos digitales que tengan diferentes tensiones de referencia, lo que los hace bastante utilizables y prácticamente universales.
La Temperatura.
La temperatura es un parámetro termodinámico del estado de un sistema que caracteriza el calor , o transferencia de energía.
Concretamente, dado un sistema en el se pueda expresar como suma de energías cinéticas de todas las partículas, y suma de energías potenciales de partículas tomadas por pares (es decir, H=T+V donde V = Σi
Para medir la temperatura se utiliza el termómetro.
Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), la densidad, la solubilidad, la presión de vapor o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.
En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el Kelvin. Sin embargo, está muy generalizado el uso de otras escalas de temperatura, concretamente la escala Celsius (o centígrada), y, en los países anglosajones, la escala Farenheit. Una diferencia de temperatura de un kelvin equivale a una diferencia de un grado centígrado, la diferencia entre estas dos es el offset que tiene una escala con respecto de la otra.
Cuando un objeto se siente caliente, los átomos en su interior se están moviendo rápidamente en direcciones aleatorias y cuando se siente frío, los átomos se están moviendo lentamente. Nuestro cuerpo interpreta ese movimiento atómico aleatorio como lo que sentimos: frío y calor; un termómetro interpreta ese movimiento atómico en forma de grados. Los átomos están rebotando por todas partes, de forma que un átomo está a veces yendo rápido y otras veces lento. Parece que la temperatura debiera estar cambiando.
Sin embargo esto no es así, En un grupo de átomos siempre hay todo un rango de velocidades, pero si la velocidad de un átomo cambia, el promedio de todos ellos no lo hace. Cada vez que un átomo frena hay otro que acelera. Así, la temperatura describe realmente el rango de velocidades de un grupo de átomos en su conjunto. Los físicos a menudo usan una escala diferente que está directamente relacionada con la velocidad de los átomos en un gas. Esta es llamada la Escala Absoluta y un grado en esta escala es igual a un grado Centígrado, o sea 9/5 de grado Fahrenheit. La diferencia entre la escala Centígrada y la absoluta es el valor del 0.
A la escala absoluta se le conoce como escala Kelvin, se le conoce así por el hecho que su cero es el cero de congelamiento absoluto. Si bajamos la temperatura a 0 grados centígrados (273 grados kelvin), los gases aun continúan moviéndose a esa velocidad, aunque muy lento, sin embargo aun hay movimiento, si hacemos descender mas la temperatura hasta el 0 absoluto, es decir a los cero grados kelvin, que es la temperatura para el cual un gas deja de moverse, es decir se “congela”, vemos que a pesar de que esta escala es cero en la Celsius es: −273,15º C y en la Fahrenheit −459,7°F. Por eso se conoce la escala Kelvin como la absoluta porque es la única que “físicamente” representa el cero.
Según las leyes de la termodinámica el cero absoluto es un límite inalcanzable, los lugares mas fríos se encuentran en el espacio exterior, los cuales alcanzan hasta 3 grados por encima del cero absoluto. Los refrigeradores más potentes son capaces de alcanzar esas temperaturas. Inclusive se ha logrado llegar hasta una billonesima de grado por encima del valor absoluto, que es la temperatura necesaria para ver la condensación de Bose - Einstein.
En conclusión podemos decir que la temperatura es la es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia, debido a la transferencia de energía que se sucede a niveles atómicos por el movimiento aleatorio promedio de un grupo de estos.
Caracterización del Proceso.
Se medirán las variaciones de temperatura de una maqueta representativa de unos silos, para eso se utilizara un sensor electrónico, de tipo termopar, el cual posee cambios eléctricos de acuerdo a cambios en variables físicas. En este caso el sensor generará diferencias de potencial en su salida de acuerdo a un cambio en su temperatura. Se colocara el sensor en el lugar de la medición y se diseñara un circuito de acondicionamiento a fin de preparar la señal para los conversores analógico digitales y la interfaz con el usuario.
Patrón
El patrón que usaremos como medida teórica para la comparación de nuestra medición, será la comparación de la temperatura obtenida en los displays, con la salida del sensor. Una vez que el sistema de medición este funcionando se hará una medida y tomaremos el valor de los displays, luego se hará la medición de tensión a la salida del sensor, y mediante una tabla de conversiones que se anexa, se puede ver que valor de temperatura corresponde a esta tensión de salida, de esta forma es posible comparar el valor medido, con el valor de temperatura real que esta siendo censado por el termopar, a fin de determinar los posibles errores del sistema de medición, al igual que la exactitud y precisión del mismo.
Para ejecutar la medición de la tensión de salida, se dispone en el laboratorio de un voltímetro, marca UNIT modelo UT70, las características de este modelo se muestran a continuación:
Puede medir tensiones continuas en un segmento que va desde los 200 mV a los 1000 V, en cuanto a las mediciones de corriente alterna el margen de medición va desde los 200 mV a los 750 mV. Puede medir corrientes desde los 20 micro amperes, hasta los 10 amperes.
Este dispositivo puede estimar valores de resistencia hasta los 2000 Mega ohm, y capacitancias en el orden de los 100 microfaradios. Este dispositivo puede medir temperatura, lo cual puede ser usado para obtener un valor teórico adicional con el que se puede comparar el sistema de medición implementado, este margen de medida va desde los -40º C a los 1000 º C, con lo que se puede tener además de la salida del termopar una referencia de temperatura. Puede hacer mediciones a dispositivos semiconductores como diodos y transistores. Para medir la variable patrón se debe usar la medición de temperatura, y de voltaje continua, esta ultima para medir la salida del termopar y estimar a su vez el error de este con respecto a la medida de temperatura del multímetro y del sistema de medición implementado.
Descripción del Sensor
El sensor a utilizar es un termopar tipo k. Los termopares son una manera económica de medir la temperatura, además de eso presentan diversas ventajas, que lo hacen aconsejable en la implementación de sistemas de temperatura, entre ellas podemos nombrar:
· Pueden ser bastante robustos al estar elaborados con conductores gruesos.
· Son bastante rápidas dependiendo del grosor del material, se tienen diversos tiempos de respuestas, pudiendo las mas delgadas llegar a tener un tiempo de reacción de 0.1 segundos ante los cambios de temperatura, si se quieren menores tiempos, se usan termopares con forma de laminas.
· Pueden censar temperaturas en un amplio margen de medida, desde temperaturas criogénicas hasta temperaturas de hornos industriales.
· Son fáciles de instalar y tienen amplia disponibilidad.
El número de electrones libres en un metal, depende de la temperatura y composición del mismo, por lo tanto piezas de metal que estén contacto isotérmico, exhibirán diferencias de potencial que es función de la temperatura de contacto. La tensión resultante depende de la temperatura.
En la práctica resulta más conveniente, usar un método termoeléctrico
Para ajustar la temperatura de referencia, y ajustar su salida de voltaje de manera tal que su salida de tensión corresponda a un termopar ajustado a 0º C. Dicho voltaje se suma al voltaje del termopar debe ajustarse tal que la suma corresponda a un valor de tensión de referencia para el punto de congelación. Es decir eléctricamente se ajustan 0º C para la referencia. Luego teniendo una unión de referencia, colocamos la otra unión en contacto con la temperatura a medir y de esta manera se obtiene una diferencia de potencial que es función de la diferencia de temperatura en las dos uniones.
Arquitectura del Sistema de Medida.
Para el desarrollo del sistema de medida debemos conocer los diversos parámetros del sistema para poder hacer una selección optima de los componentes a emplear. El margen de medida va desde 0ºC hasta 100º C.
El margen dinámico debe ser mayor o igual que el del proceso, por lo tanto, tenemos que:
MD = MM / Res
MD = (100º C – 0º C) / 0.1 º C = 1000
En dB= 20 Log (1000) = 60 dB
El margen dinámico del proceso debe ser menor o igual que el del CAD (ya que este es el ultimo elemento en el proceso de medición, entonces y siendo la cuantización Q el menor cambio en el conversor tenemos que:
Q = Vm / 2^n -1
Vm = Q (2^n – 1)
Entonces nos queda que: MD = 2^n – 1
Aproximando podemos decir que MD = 2^n
2^n = 60 dB
Por propiedades de logaritmo: 6n = 60
N = 60/6 = 10 bits.
Por esta razón se escogió el PIC, ya que cuenta con un conversor de este orden y además podemos utilizarlo para la realización y presentación de la interfaz.
La ganancia del amplificador estará dada por:
G = (5 V – 0 V) / (4.096 mV-0v) = 122.070,31
El sistema de medición que desarrollaremos estará implementado, en general, de la siguiente forma; el dispositivo que va a censar la temperatura (el transductor), el circuito acondicionador de la señal adquirida del sensor; una etapa de codificación de la señal en datos digitales (para la visualización) y por ultimo la visualización con displays.
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