Ejercicio 1 Se desea diseñar un sistema de medida de temperatura que mida entre 0 y 100 ºC, y cuya salida esté comprendida entre 0 y 1 V. El sistema estará basado en un termopar tipo K que da una tensin a su salida V1 = S (T1-T2) siendo T1 la temperatura de la unin de medida, medida, T2 la temperatura de la unin de re!erencia y S la sensibilidad del sensor. Se pide" Metal 1
T2
Metal 1
T1
T1
T3 Metal 1 T2
Metal 3
V1
Metal 2
T3
V2=V1
T2
T2
Metal 2
Figura 1. Termopar
a) Cuando a) Cuando la unin de re!erencia del termopar # $ está a 0 ºC, %a tensin V 1 del termopar &ale es 0V cuando # 1'0 ºC y (,0)* mV cuando # 1'100 ºC. + partir de estos datos calcular la sensibilidad S del sensor
+l conectar el sensor al equipo de medida, la unin de re!erencia re!erencia no está a 0 ºC, sino a a la temperatura del conector del equipo # $, tal como se obser&a en la !iura $ Metal 1
T2
Cu
Metal 2
T2
Cu
T3
T1
Voltímetro
Figura 2 . Termopar conectado a un equipo de medida
-ara poder estimar el &alor de la temperatura del conector del equipo de medida, # $, se opta por medir # $ con una -#C colocada en el conector y compensar la tensin que proporciona el sensor, V1, con la que se obtiene a partir de la -#C, V C. El circuito equi&alente de este compensador se muestra en la !iura , donde V 1 es la tensin de salida del sensor y V C la tensin de salida del circuito -#C.
V1
1
Vo
$
Vc
Figura 3. Circuito compensador de la temperatura de referencia
b) /ar b) /ar la epresin que debe tener V C para que la tensin de salida del ampli!icador, V , solo dependa de # 1 y no de #$. 2V ' 3 2 V245 6 V275 55 c) El c) El ampli!icador utili8ado es el ampli!icador de instrumentacin +/*$0, cuyas caracter9sticas se ad:untan al !inal del problema. Se pide el &alor de la ; 3 y a qué terminales se debe conectar, para que la salida V pueda &ariar entre 0 y 1 V, mientras la temperatura # 1 lo
d) -ara conseuir la epresin de la tensin V C obtenida en el apartado b5, se conecta la -#C al puente resisti&o de la !iura (, donde la resistencia de la -#C &ale ; # ' 100 21 4 0,00=> # $5. Calcular la epresin de V C en !uncin de r y # $.
r100
r100
10V 7
VC 4
100
-#C 1002140.00=>#5
Figura 4. Circuito medidor de la temperatura de referencia
e) Si #$ &ale aproimadamente $0ºC y r ?? 1, dar el &alor de r para que la epresin V apartado d5 coincida con la del apartado b5
C
del
f) /ibu:ar el esquema completo del medidor de temperatura, indicando a qué terminales del +/*$0 se conectan el termopar y el puente resisti&o de la -#C. Metal 1
Cu
T1
T2 Metal 2
#$%2&
Cu
Co!ector
'ue!te resistio
'TC
g) @odi!icar el esquema lo m9nimo posible para que la salida pueda adaptarse a la entrada de un con&ertidor +A/ con maren de entrada entre 0 y >V 2se desea apro&ec
Características del amlificador de i!strume!taci"! #$%2&
Ejercicio 2 Se desea diseñar una balan8a electrnica que &isualice el peso de un ob:eto y la temperatura del ambiente. El rano de peso medido será de 0 a >0 B, y el de temperatura de 0ºC a >0ºC. -ara la medida de peso se usa un puente con dos alas acti&as y dos inacti&as 2i. 15 cuya salida 2V +D5 se ampli!ica con un ampli!icador de instrumentacin. %as alas utili8adas se de!orman 100 µm por cada B de peso que soportan 2 ε ' 100µmAB -eso2B55 y la &ariacin de su resistencia &ale ∆ R = R ⋅ K ⋅ ε , donde ; es la resistencia de la ala sin peso 2nominal5, ε es la de!ormacin de la ala pro&ocada por el peso del ob:eto medida, y K es la sensibilidad de la ala. Se pide"
*
*
D
E
*
+ *
_
* *
V# +
Figura 1. Puente de galgas
a) Epresin de la tensin de salida V +D en !uncin de la de!ormacin e, la sensibilidad de la ala K y la tensin de la !uente de alimentacin E. b) Si E'>V y K'$ dar el &alor de V +D para un peso de 0 y de >0 B. c) /ar el &alor de la tensin en modo comFn de V +D en !uncin de la tensin E. d) El ampli!icador utili8ado es el ampli!icador de instrumentacin +/*$0, cuyas caracter9sticas se ad:untan al !inal del problema. Se pide el &alor de la ; 3 y a qué terminales se debe conectar, para que la salida V pueda &ariar entre 0 y > V, mientras el peso lo 0 B respecti&amente. e) Si la tensin E tiene un ri8ado de 1V de amplitud y una !recuencia de >0 G8 2E'>4sen2$ π>0t55, HIué amplitud tendrá este ri8ado a la salida del ampli!icador debido a su C@;;J -ara medir la temperatura se usa una ;#/ dispuesta en un circuito ampli!icador como el de la i. $. %a ;#/ tiene una epresin RT = RO ⋅ ( 1 + α ⋅ T ) donde ; es la resistencia a temperatura 0ºC, # la temperatura en ºC y α el coe!iciente de temperatura en ºC 71. *t
* o (1
*t
t)
+T
*1
7
+V *1
Vs
4 *o
Figura 2 . Medidor de temperatura con RTD
f) /ar el &alor de la tensin V S en !uncin de la temperatura #, α, ;, ;1 y la tensin 4V. g) Si α'(107$, ;'100Ω y 4V'>V, dar el &alor de ; 1 para que a 0ºC V S &ala 0V y a >0ºC &ala 7>V.
Características del amlificador de i!strume!taci"! #$%2&
Ejercicio 3 Se pretende diseñar un circuito que controle el consumo de una cara. -ara ello se debe adquirir constantemente dos &ariables, que son" la corriente que consume la cara, y la temperatura que disipa. El circuito equi&alente de instrumentacin se muestra en la i. 1.
Fig 1. Sistema de control de consumo de carga
Circuito de medida de temeratura %a temperatura se mide con una ;#/ dispuesta en puente acti&o, tal como se muestra en la !i. $. El rano de temperaturas a medir es desde 0ºC
Fig 2 . Sistema de medida de temperatura
a) /ar el &alor de V. b) btener la epresin de la tensin a la salida del puente, V #, en !uncin de ;, α y #.
A partir de ahora tomar R=100 , a=0,004K -1
c) /ar el &alor de la tensin en modo comFn a la salida del puente a 0ºC y a $00ºC. d) /ibu:ar cmo V. f) Calcular el error debido al modo comFn cometido a la entrada del con&ertidor +A/, o lo que es lo mismo, a la salida del ampli!icador de instrumentacin.
Circuito de medida de corrie!te El sistema para medir la corriente se basa en el sensor manetoresisti&o K@M10D. Este sensor capta el campo manético que circula por el cable situado a 1 mm del sensor. %a !rmula del campo manético que circula por un cable es"
H =
I
A / m
2π d
Fig 3. Sistema de medida de corriente
g) Si se el maren de corriente a medir es de 0 a >0 +, dar el &alor máimo de campo manético Gma que se &a a medir. f) SeFn las especi!icaciones del sensor, reali8ar las coneiones a la !uente de alimentacin y al ampli!icador de instrumentacin L+1$=. ,) /ar el &alor d ; 3 para conseuir la anancia adecuada.
Amplificador de Instrumentacin I!A12"
Ejercicio El siuiente sistema de medida de peso basado en una ala etensiométrico con un coe!iciente de la ala &ale B'$ y la de!ormacin lonitudinal e'0,1mmAK. %a resistencia nominal de la ala &ale ;'1*0 Ω.
a5 Si la salida del ampli!icador se conecta a un con&ertidor +A/ de = bits con maren dinámico entre 0 y > V, dar el máimo &alor del peso que se puede medir sin saturar el con&ertidor b5 /ar la resolucin de peso de la balan8a. c5 HIué parámetro de la ala crees que limita el peso máimo a considerar" el l9mite lineal, el elástico o el de rupturaJ
Ejercicio . En la !iura se &isuali8a el esquema electrnico de un termmetro cl9nico basado en una L#C con las siuientes caracter9sticas" D'(1)0K, ; '100KΩ a $>ºC, δ'10mNAºC. %a resistencia ; &ale ;'O,O BΩ. El termmetro debe medir temperaturas entre 0 y >0 ºC.
B (
RT = R e
1 T
−
1 T 0
)
0
a5 Si V &ale >V, calcular el error por autocalentamiento en ºC b5 Si ;1 y ;$ &alen 1BΩ, dar un &alor del potencimetro - 1, que permita a:ustar el cero c5 /ar un &alor del potencimetro -$, lo más pequeño posible, que permita a:ustar la anancia si el ampli!icador se conecta a un con&ertidor +A/ de = bits con maren dinámico entre 0 y > V. HCuánto &ale en este caso la resolucin de la temperaturaJ
Ejercicio % ;eproducir el termmetro del e:ercicio > con una ;#/ y un circuito como el que se muestra a continuacin. %a resistencia de la ;#/ &ale ; # ' 100 21 4 0,00=> #5, siendo # la di!erencia de temperatura entre la que se mide y la ambiente estándar de $>ºC. Se deberá usar un ampli!icador +/*$0 y el mismo con&ertidor +A/ del e:ercicio >.
/ibu:ar un circuito, y dar los &alores de sus componentes con un termopar que también permita la construccin de dic
Ejercicio / /ar &alores de !orma ra8onada a ; S y a ;% para medir corrientes S que circulan por una cara de 1>0 Ω. %a salida del L+ 1) &ale '1000µ +AV;SS.
Ejercicio 0 El siuiente ampli!icador de micr!ono electret se pide cambiar el &alor de alunas resistencias para tener un rano de anancia entre 1> y (0 dD
Ejercicio Se desea medir temperaturas entre un rano de 7>0ºC a 4$00ºC con dos tipos de sensor" 17 #ermistor L#C $7 ;#/ de platino %as caracter9sticas de los sensores son las de los e:ercicios > y *. + continuacin se proporcionan los circuitos acondicionadores para cada tipo de sensor. %a salida de estos circuitos se conecta a la entrada de un con&ertidor +A/ conectado a su &e8 al puerto de un microprocesador. %a entrada del con&ertidor +A/ tiene un maren dinámico comprendido entre 0 y >V. -or tanto, se debe a:ustar el cero y la anancia del ampli!icador para que la salida del circuito esté dentro de este maren.
1 Circuito basado e! termistor TC En la !iura 1 se muestra el circuito acondicionador.
a) Si ;1 y ;$ &alen 1BΩ, calcular el &alor del potencimetro - 1 para conseuir el a:uste de cero. b) Calcular la anancia del ampli!icador y el &alor de - $ para el a:uste de anancia.
2 Circuito basado e! *T$ de lati!o En la !iura $ se muestra el circuito acondicionador. El potencimetro - reali8a el a:uste de cero y el potencimetro ; 3 el a:uste de anancia.
a) Calcular el &alor del potencimetro - para conseuir el a:uste de cero. b) Calcular la anancia del ampli!icador y el &alor de ; 3 para el a:uste de anancia.
