INGENIERÍA MECATRÓNICA INSTRUMENTACION INSTRUMENTACION MECATRÓNICA
INFORME DE LA PRÁCTICA
TEMA: “ACONDICIONAMIENTO DE TERMOCUPLA TIPO K PARA LA MEDICIÓN DE TEMPERATURA DE UN HORNO DE PAN”
ESTUDIANTE: JOHAN MACAS FERNANDO RECALDE ALEJANDRO REYES
Nivel: 7MO Mecatrónica Latacunga-Ecuador 1
ÍNDICE 1. Tema ......................................... ............................................................. ......................................... ......................................... ........................................ ....................1 2. Objetivos ...................................... .......................................................... ......................................... .......................................... ..................................... ................1 2.1.
Objetivo General............................. General.................................................. .......................................... ......................................... .......................... ...... 1
2.2.
Objetivos específicos........................................ ............................................................ ........................................ .............................. .......... 1
3. Marco Teórico........................................ ............................................................ ......................................... .......................................... ........................... ...... 1 3.1.
Cadenas de texto........................................ ............................................................ ......................................... ..................................... ................2
3.2.
Las Operaciones de Entrada / Salida con Ficheros............................... Ficheros............................................. ..............3
3.3.
Almacenamiento Almacenamiento de datos en un Archivo Archivo ya existente....................................... .......................................4
4. Equipos y características características ...................................... .......................................................... ......................................... .................................. .............7 4.1.
Equipos de seguridad personal ...................................... .......................................................... ..................................... .................7
5. Procedimiento ........................................ .......................................................... .................. Error! Bookmark not defined. 5.1.
Elaboración de ficheros en Excel ..................... ..................... Error! Bookmark not defined.
5.2.
Elaboración de ficheros ficheros mediante mediante el empleo de estructura estructura Event ............ Error!
Bookmark not defined. 6. Conclusiones ....................................... ........................................................... ...................... Error! Bookmark not defined. 7. Recomendaciones Recomendaciones ...................................... .................................................... .............. Error! Bookmark not defined. 8. Bibliografía ......................................... ............................................................. ......................................... ......................................... ............................ ........ 20
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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.Modo de edición de ficheros en LabView. ........................................................3 Figura 2. Elementos gráficos.......................................... Error! Bookmark not defined. Figura 3. Elementos gráficos.......................................... Error! Bookmark not defined. Figura 4. Complemento para elaborar hojas de cálculo. Error! Bookmark not defined. Figura 5. Hoja de cálculo con registros numéricos y de tiempo. Error! Bookmark not defined. Figura 6. Elementos gráficos.......................................... Error! Bookmark not defined. Figura 7. Lectura de variables. ....................................... Error! Bookmark not defined. Figura 8. Lista de eventos creados. ................................ Error! Bookmark not defined. Figura 9. Conversión de valor numérico ........................ Error! Bookmark not defined. Figura 10. Evento “Parar” .............................................. Error! Bookmark not defined. Figura 11. Programación para editar archivos de texto.. Error! Bookmark not defined. Figura 12. Fichero de texto. ........................................... Error! Bookmark not defined.
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1. Tema
Acondicionamiento de termocupla tipo k para la medición de temperatura de un horno de pan. 2. Objetivos
2.1.
Objetivo General
Acondicionar una termocupla tipo k para medir la temperatura de un horno de pan
2.2.
Objetivos específicos
Comprender el uso y funcionamiento de la termocupla
Diseñar y construir un circuito que permita obtener los valores reales de temperatura usando la termocupla.
Indagar los métodos para compensar la junta fría.
3. Marco Teórico 3.1 LabVIEW
LabVIEW es un software desarrollado por la empresa National Instruments, especializado en informática industrial y científica. (“National Instruments”, 2017)
El software se basa en lenguaje G, que es un entorno gráfico. Permite el desarrollo de programas informáticos complejos facilitando al mismo tiempo la programación y el proceso de desarrollo. (Jolly, 2017)
Figura 1. Ícono de LabVIEW (Jolly,2017) 3.2 Conexión entre Arduino y LabVIEW 3.2.1 NI-VISA
1
NI-VISA Software de Interfaz de E/S Universal Información sobre la Licencia NI-VISA Virtual Instrument Software Architecture (VISA) es un estándar para configurar, programar y depurar sistemas de instrumentación que comprenden interfaces GPIB, VXI, PXI, serial (RS232/RS485), Ethernet/LXI y/o interfaces USB. (Instruments, NIVISA, 2017) 3.2.2 VI package Manager
El VI Package Manager (VIPM) de JKI reduce los costos del proyecto al ayudarle a implementar un proceso de reutilización de código en su empresa. VIPM le permite administrar y compartir VIS reutilizables fácilmente en múltiples proyectos, PCs y equipos de desarrolladores. (Anónimo, 2017) Además, es una herramienta que permite gestionar e instalar las librerías que sean necesarias en el software LabVIEW. 3.2.3 LINX de Digilent/LabVIEW MakerHub
LINX es un proyecto de fuente abierta de Digilent y está diseñado para facilitar el desarrollo de aplicaciones embebidas usando LabVIEW. LINX incluye VIs para más de 30 de los sensores embebidos más comunes, así como APIs de hardware agnóstico para tener acceso a periféricos como E/S digitales, E/S analógicas, PWM, I2C, SPI y UART. (LINX, 2017) Permite controlar de manera remota un chipKIT o Arduino por USB/Serial, Ethernet o WiFi o implementando VIs para ejecutar en BeagleBone Black o Raspberry Pi 2/3, LINX y LabVIEW.
Figura 2. Logo Makerhub (LINX, 2017) 3.3 Cadenas de texto
Una cadena de texto es una secuencia de caracteres ASCII ya sean visualizables o no. Las cadenas proporcionan una forma de mostrar información independientemente de la plataforma utilizada. Los usos más comunes de las cadenas de texto son:
2
Crear simples mensajes de texto.
Entregar datos numéricos a instrumentos como cadenas de caracteres para después convertir las cadenas en valores numéricos.
Almacenar datos numéricos en disco.
3.4 Las Operaciones de Entrada / Salida con Ficheros.
Las operaciones de entrada / salida con ficheros permiten almacenar y recuperar información a y desde un disco. LabVIEW presenta una gran variedad de funciones para tratar diferentes tipos de operaciones con ficheros. Estas funciones se encuentran en planeta File I/O (entrada salida de ficheros) del menú Functions. (Etitudela, 15) Para guardar datos en un archivo de disco nuevo se han de seguir tres pasos:
Crear el archivo nuevo.
Escribir los datos en el archivo
Cerrar el archivo.
Con LabVIEW se puede escribir cualquier tipo de datos en el archivo abierto. Si otros usuarios o aplicaciones necesitan acceder a él, se deben escribir strings de datos, lo cual crea un fichero ASCII. Se crea un archivo con formato binario cuando se escriben datos nostring (como un array de enteros) al archivo. (Aranda, 2014)
Figura 3.Modo de edición de ficheros en LabView.
3
3.5 Almacenamiento de datos en un Archivo ya existente
Para guardar información en un archivo que ya existe se emplea la función Open File (abrir fichero) en lugar de la New File.
Open File abre un fichero existente o sobrescribir la información del archivo original.
La función EOF determina la posición End-of-File (final de fichero).
Este marcador especifica donde escribe los datos la función Write File. Si se deja sin conexión EOF, Write File añadiría los datos al final del archivo. Si se introduce por EOF el valor 0, los datos actuales sobrescriban el fichero existente (EOF se sitúa al principio del fichero). (Server, 2018) 3.6 Termocuplas
Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Por ejemplo, una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constantán (aleación de cobre y nickel) Al colocar la unión de estos metales a 750 °C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts. (Sinha, 2016)
Figura 4.Ejempleo de Termopar. 3.6.1 Tipos de termocuplas
Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J ó del tipo K.
4
Figura 5.Tipos de termocupla.
3.6.2 Compensación de cero
El principal inconveniente de las termocuplas es su necesidad de "compensación de cero". Esto se debe a que en algún punto, habrá que empalmar los cables de la termocupla con un conductor normal de cobre. En ese punto se producirán dos nuevas termocuplas con el cobre como metal para ambas, generando cada una un voltaje proporcional a la temperatura de ambiente ( Ta ) en el punto del empalme. Antiguamente se solucionaba este problema colocando los empalmes en un baño de hielo a cero grados para que generen cero voltaje (Ta = 0 y luego V(Ta) = 0 ). Actualmente todos los instrumentos modernos miden la temperatura en ese punto (mediante un sensor de temperatura adicional) y la suman para crear la compensación y obtener así la temperatura real. El punto de empalme (llamado "unión ó juntura de referencia") es siempre en el conector a la entrada del instrumento pues ahí está el sensor de temperatura. De modo que es necesario llegar con el cable de la termocupla hasta el mismo instrumento. (Sinha, 2016)
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Figura 6. Compensación punta fría. 3.7 AD620
Características: • Amplificador de intrumentación de precisión • Rango de ganancia entre 1 y 10000, configurable con un solo resistor externo • Consumo de corriente en reposo: 1.3 mA max. • Bajo drift del voltaje offset: 0.6 µV/°C max. • Bajo voltaje de offset: 125 µV max • Bajo ruido: 13 nV/√Hz • Baja corriente de polarización de entrada: 2 nA max. • Alta impedancia de entrada: 10 GΩ • Ancho de banda: 120 kHz (G=100) • Amplio voltaje de alimentación: ±2.3 V a ±18 V • Encapsulado: DIP de 8 pines
Aplicaciones: • Medición de peso • ECG e instrumentación médica • Interfaces de transductores • Sistemas de adquisición de datos
6
• Controles en procesos industriales • Equipos portables y operados a baterías • Entre otros
Figura. Distribución de pines 4
Equipos y características 4.3 Equipos de seguridad personal
. Tabla 1. Equipos y elementos empleados Equipo
Características Físicas
Grafico
-Instalado el software LabVIEW Computador
-Implementados los VI necesarios
Ropa de
Mandil
protección
Recogedor de cabello
5. Cálculos Se tienen los datos de la termocupla tipo k y se hace la regresión lineal con cruce exclusivo por cero.
7
T
Vtc,0
0
0.0
10
0.397
20
0.798
30
1.203
40
1.612
50
2.023
60
2.436
70
2.851
80
3.267
90
3.682
100
4.096
110
4.509
120
4.920
130
5.328
140
5.735
150
6.138
160
6.540
170
6.941
180
7.340
190
7.739
200
8.138
8
Ecuación termocupla linealizada
Cálculos = = 0.0408
∗ 1
1 = 1 = 0.0408
( 1 2)
2 = 35 2 =
10
2
= 620 = (1) + 2 . 1,0 = 1, 2 + 2,0 1, 2 = 0.0408
∗ ( 1 2) = 1
9
2,0 =
0.0408
1,0 = 0.0408
∗ 2
∗ 1
∗ 1,0 = ∗ 1, 2 + ∗ 2,0 620 ∗ 2,0 = 2 ∗ 1,0 = ∗ 1 + 2 = ∗ 1 + 2 620 ℎ
=
2 2,0
= 245.1
= 100 1 5 5 620 = 2.5 ∗ = 2.5 ∗ 245.1 ∗ 1 + 2.5 ∗ 2 = 612.72 ∗ 1 + 2.5 ∗ 2
Pero se puede optar en vez de poner una ganancia de 5 después del AD620, se puede poner una ganancia de 5 antes del LM35, asegurando el voltaje del LM35, y teniendo una salida más limpia ya que AD620 tiene una buena impedancia = 612.75 =
49.4
+1
10
612.75 =
49.4
611.75 =
=
+1
49.4
49.4 611.75
= 80.75
Para el amplificador de 5 para el LM35 =5∗
4=
1 2
+1
1 2
2 = 1 1 = 4
11
Para el circuito de lectura con Arduino solo se lee la ganancia hasta 5 voltios de la termocupla y del LM35 2 = 1 1 = 4 = 4.096 = ∗ 1 5 = ∗ 4.096 ∗ 10− = 1220.7 49.4 = +1 49.4 + 1 = 12207.7 = 40.5
Tabla del cálculo de histéresis 0 0.297 0.598 0.903 1.211 1.522 1.836 2.15 2.466 2.781 3.095 3.408
0 0.497 0.998 1.503 2.011 2.522 3.036 3.55 4.066 4.581 5.095 5.608
diferencia 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 12
3.719 4.027 4.333 4.637 4.939 5.239 5.538 5.837 6.137 6.537 7.038 7.541 8.045 8.551 9.06 9.569 10.081 10.593 11.107 11.623 12.139 12.656 13.174 13.692 14.212 14.732 15.252 15.774 16.295
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
6.119 6.627 7.133 7.637 8.139 8.639 9.138 9.637 10.137 10.537 10.838 11.141 11.445 11.751 12.06 12.369 12.681 12.993 13.307 13.623 13.939 14.256 14.574 14.892 15.212 15.532 15.852 16.174 16.495
2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4 3.8 3.6 3.4 3.2 3 2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2
13
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6. Esquema de conexión
15
16
7. Resultados obtenidos La temperatura ambiente del LM35 dio de 22 C. Unos 0.22 V directo del sensor. Se obtuvo los siguientes resultados.
En la lectura directa del Arduino con el programa para convertir y sumar los voltajes a igual temperatura ambiente. T 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
, 0(620 ) (35 ) ( 0 5 )
-1.16 v -0.905 v -0.65 v -0.395 v -0.14 v 0.115 v 0.37 v 0.625 v 0.88 v 1.135 v
1.1 v 1.1 v 1.09 v 1.09 v 1.09v 1.1 v 1.1 v 1.2 v 1.2 v 1.2 v
0.03 v 0.03 0.41 v 0.665 v 0.92 v 1.175 v 1.43 v 1.685 v 1.94 v 2.195 v 17
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
1.37 v 1.64 v 1.89 v 2.14 v 2.39 v 2.64 v 2.89 v 3.14 v 3.39 v 3.64 v 3.89 v
1.2 v 1.2 v 1.1 v 1.1 v 1.09 v 1.09 v 1.1 v 1.1 v 1.09 v 1.1 v 1.1 v
2.45 v 2.705 v 2.96 v 3.215 v 3.47 v 3.725 v 3.98 v 4.235 v 4.49 4.745 v 5 V
8. Resultados obtenidos Análisis de resultados Temperatura guía 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Temperatura 1 forma 0.2 8.6 19.0 28.6 32.2 49.6 60.0 69.8 80.0 89.4 99.6 102.2 108.6 119.0 128.6 132.2 149.6 160.0 169.8 180.0 200
Error relativo % 20.00 14.00 5.00 4.67 19.50 16.3 4. 3.5 15.3 0.67 0.80 0.60 0.00 0.50 0.00 0.29 0.15 0.00 0.67 0.85 0.00
Temperatura 2 forma 0.2 8.6 19.0 28.6 32.2 49.6 60.0 69.8 80.0 89.4 99.6 102.2 108.6 119.0 128.6 132.2 149.6 160.0 169.8 180.0 200
Error relativo % 18.8 1.10 1.30 1.60 1.50 1.40 3.6 3.7 2.7 2.18 0.89 0.60 0.8 0.89 0.7 0.89 0.90 0.98 0.25 0.58 0.44
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9. Conclusiones
La termocupla es un instrumento de medición usado generalmente en la industria por dos materiales que generan voltaje respecto a su cambio de temperatura en la junta de ambos materiales.
El circuito se basa principalmente en el amplificador para instrumentos denominado AD620 que permite generar un valor de ganancia alto respecto a entradas de referencia, lo especial de este amplificador es que permite generar un nivel de referencia basado en otro elemento de medición como un sensor de temperatura LM35.
Los dos principales métodos es usando un sensor LM35. Se puede primero amplificar y sumar ambos voltajes en una misma escala y unidades parametrizadas para posteriormente leer los datos en Arduino. Como segunda opción es usar los datos del sensor LM35 como el nivel de referencia necesaria y así no tener que realizar la compensación por software o la conocida suma de voltajes.
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10.Recomendaciones
Se recomienda mantenerse en los valores ofrecidos por el datasheet de cada componente puesto que son sensibles a cualquier exceso de dichos valores.
La fuente de alimentación del amplificado operacional debería ser mayor a 12 voltios por la pérdida que puede existir en los cables y demás componentes.
11.Anexos
12.Bibliografía Aranda, D. (2014). Electrónica - Conceptos básicos y diseño de circuitos. Buenos Aires: Staff USERS. Etitudela. (2018 de Enero de 15). Etitudela. Obtenido de Etitudela: http://www.etitudela.com/entrenadorcomunicaciones/downloads/labviewoperacion esdeentradaysalidaconficheros.pdf Server, D. (15 de Enero de 2018). Server Die. Obtenido de Server Die: http://serverdie.alc.upv.es/asignaturas/LSED/2003-04/0.Sens_Temp/Clasify/Termocuplas.htm
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