Informe Laboratorio 1: Sensores

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA, UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER LABORATORIO LABORATORIO DE SISTEMAS TÉRMICOS GRUPO D1 – SUBGRUPO 09 31 DE JULIO DEL 2014, I SEMESTRE ACADÉMICO ACADÉMICO DE 2014

INFORME LABORATORIO LABORATORIO 1: SENSORES

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INTRODUCCION Los sensores son una pieza clave en cualquier proceso industrial, gracias a estos se puede conocer la evolución de las variables físicas que le permiten al ingeniero ejercer control sobre el comportamiento de los sistemas. En esta práctica se pretende conocer los sensores sensores utilizados para para la medición de las variables de mayor interés en los sistemas térmicos: temperatura, temperatura, presión y caudal.

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Sensores de Presión a Base de Microchips de Silicio. Sensor Tipo Tubo de Bourdon.

Caudal o o o

Caudalímetros de Presión Diferencial. Caudalímetros Electromagnéticos. Medidores de Caudal de Área Variable.

OBJETIVOS

2) Describir brevemente el principio de funcionamiento de los sensores anteriormente consultados. OBJETIVO GENERAL

Comprender el principio básico de funcionamiento de los sensores de mayor uso en los sistemas térmicos, especialmente de los sensores de temperatura.

Sensores de Caudal. Sensores de Presión Piezoresistivos. Piezoresistivos.

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

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Conocer los sensores utilizados para la medición de temperatura, presión y caudal.

Actualmente son los más usados para detectar presiones bajas. El efecto piezoresistivo se refiere al cambio en la resistencia eléctrica que sufre un material cuando es sometido a presión o tensión.

Comparar las ventajas y desventajas de los sensores utilizados para la medición de temperatura. Caracterizar un sensor de temperatura.

Un sensor piezoresistivo está en contacto con un fluido hidráulico de protección, y, separado del medio por una membrana de acero inoxidable. La flexión de la membrana como resultado de la presión externa, produce un cambio en la presión del fluido hidráulico que rodea el sensor piezoresistivo. Este sensor emite una señal de presión proporcional, que se convierte en una señal de salida de corriente.

Conocer algunos dispositivos utilizados para el control de sistemas térmicos.

MARCO TEÓRICO

1) Cuáles son los sensores utilizados (mínimo (mínimo 3 por cada variable) para la medición de: 

Sensores de Presión a Base de Microchips de Silicio.

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Se refieren a una clase de sensores de presión que emplean técnicas de circuitos integrados para construir elementos sensores de diafragma en un chip de silicio.

Presión o

Sensores de Presión Piezoresisti P iezoresistivos. vos.

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Las galgas de tensión hechas de resistencias difuminadas de silicio están típicamente integradas a diafragmas que convierten la deflexión inducida en una variación de la resistencia eléctrica.

estos tres valores se multiplican junto con una constante. Para aplicar está ley a la medición de caudal es fundamental cerciorarse de que el fluido sea conductor de la electricidad.

Sensor Tipo Tubo de Bourdon.

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Es de los más antiguos usados para la medición de altas presiones.

Medidores de Caudal de Área Variable.

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Los medidores de caudal de área variable se deben instalar verticalmente. Su principio de funcionamiento se basa en un flotador que cambia de posición dentro de un tubo de área variable. El área del tubo es pequeña en la parte inferior y va aumentando hasta alcanzar la mayor sección en la parte superior.

El tubo de Bourdon es un tubo de paredes delgadas, curvado o torcido a lo largo, que presenta una sección transversal ovalada. El tubo está sellado en uno de sus extremos, y, tiende a enrollarse o desenrollarse cuando es sometido a una presión en su interior. Debido a que el tubo está firmemente fijado en uno de sus extremos, la otra punta del tubo traza un movimiento curvo que resulta en un cambio de la posición angular con respecto al centro. El movimiento de la punta puede ser usado para desplazar un indicador o para ser convertido en una señal eléctrica equivalente.

El flotador, sólido, tiende a bajar debido a la fuerza de gravedad (su peso) y el fluido, que circula de abajo hacia arriba, tiende a levantarlo debido a la fuerza de arrastre de este. Además de la fuerza de arrastre, existe una fuerza que ejerce el fluido sobre el flotador, que es igual al peso del volumen del fluido que desaloja. El flotador queda en la posición de equilibrio de fuerzas, indicando en el tubo el caudal del fluido que pasa. El tubo debe estar convenientemente graduado, además de permitir la visualización del flotador. El tubo se puede graduar teniendo en cuenta que la fuerza de arrastre depende de la velocidad del fluido, y una vez se conoce esta, se puede obtener el caudal. Como se puede intuir, la fuerza de arrastre depende de la viscosidad del fluido. La medida puede ser directa al estar la escala graduada en el tubo, pero también existen modelos en los que el flotador da una señal en función de su posición, y se puede utilizar esta para extraer la medida en otra escala graduada, o bien para acondicionar la señal y adecuarla para un bus de campo o bien transmitirla a un regulador. El medidor más representativo de esta clase es el rotámetro, el cual opera con el mecanismo anteriormente descrito.

Caudalímetros de Presión Diferencial.

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Su principio de funcionamiento se basa en obstaculizar el paso de fluido por una tubería de forma que se produzca una caída en la presión del fluido, siendo el caudal proporcional a esta caída de presión: Q=k 〖 (ΔP)〗^(1⁄2) Siendo k una constante que engloba el coeficiente de descarga y factores de corrección por variaciones del número de Reynolds.

ΔP es la presión diferencial

causada por la colocación de una restricción al paso de fluido. Se puede ver que el caudal varía con la raíz cuadrada de la variación de la presión, lo que limita el rango de medida del caudal. Caudalímetro Electromagnéticos.

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3) Consultar el principio de funcionamiento de los siguientes sensores de temperatura:

El principio de funcionamiento del caudalimetro es la Ley de Faraday, enunciada en 1832 por Michael Faraday. En ella se establece que la tensión inducida a través de cualquier conductor que se mueve en ángulo recto a través de un campo magnético es proporcional a la velocidad de ese conductor. Es decir que E es proporcional a VxBxL, el voltaje depende de la velocidad del líquido promedio V, la intensidad del campo magnético B, y la longitud del conductor L, que en el caudalimetro es la distancia entre los electrodos. Para obtener la magnitud de la tensión E,

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Termocuplas Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente. El funcionamiento de una termocupla se basa en el principio físico de la unión de dos alambres de metales diferentes que produce

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una diferencia de potencial en los dos extremos que no se encuentran en contacto que es función de la temperatura a la cual se encuentra la unión. Este principio se llama efecto Seebeck, en memoria a Thomas Seebeck quien lo descubrió en 1821. El voltaje producido en la unión es no lineal con respecto a la temperatura, bastante pequeño (del orden de los milivoltios). Varios tipos de termocuplas existen. Ellas se identifican mediante letras mayúsculas que indican su composición de acuerdo a las convenciones establecidas por el American NationalStandardsInstitute (ANSI). Por ejemplo una termocupla tipo J está hecha de la unión de cobre-constantan

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Sensor DS18B20 El sensor de temperatura DS18B20 es un dispositivo que se comunica de forma digital. Cuenta con tres terminales, los dos de alimentación y el pin “data”. Con Arduino podemos “leer” la temperatura

que registra este sensor que posee una característica. Utiliza la comunicación OneWire, la cual es un poco complicada para los que no tienen mucha experiencia en el área de electrónica digital. 

Básicamente se trata de un protocolo especial que permite enviar y recibir datos utilizando un solo cable, a diferencia de la mayoría de los protocolos que requiere dos vías. De hecho, Arduino posee los pines RX y TX que son los encargados de enviar y recibir información.

Termistores El funcionamiento de un termistor se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura, debido a la variación de la concentración de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado.

4) Consultar acerca de los siguientes dispositivos de control: 

FieldPoint FP 1601: o

TCP/IP 100BaseTX (100 Mb/s), 10BaseTX (10 Mb/s)

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Tolerancia de potencia de 11 a 30 VDC

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Rango de operación de -25 a 55 °C

o

Software FieldPoint Explorer -- auxiliar de configuración y servidor OPC para Windows XP/2000/Me/9x/NT Comunicaciones guiadas por evento

o o

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Diagnósticos integrados para fácil depuración y mantenimiento

FieldPoint FP TC 120: o Mide señales de termopares y milivoltios


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8 entradas diferenciales; resolución de 16 bits OperaciónHotPnP (plug-and-play) Rango de operación de -40 a 70° C; rechazo de ruido de 50/60 Hz Rango de entrada o tipo de termopar configurable por software por canal

FieldPoint FP AO 210: o Proteccion contra cortocircuito o Rango de salida de 0 a 10 V o Detección de sobre corriente o OperaciónHotPnP (plug-and-play) o Rango de operación de -40 a 70 °C; resolución de 12 bits.

El DS18B20 es un sensor de temperatura con interfaz 1-wire, esto quiere decir que envía los datos en forma digital por un sólo hilo y se pueden conectar varios en paralelo utilizando el mismo bus de datos de un solo cable. Tiene un rango efectivo de -55 a 125 grados centígrados con una precisión de medio grado. Es un sensor económico y muy potente realmente.Para fines prácticos lo tengo conectado a un Arduino UNO y un shield Ethernet para poder monitorear la temperatura por internet. Los sensores de temperatura DS18B20 con nuestro Arduino. La ventaja principal que presentan estos sensores es que se pueden conectar hasta 100 dispositivos a un único pin y a una distancia máxima de nuestro Arduino de 200 metros. Dichos sensores emplean el protocolo de comunicación en serie 1-wire diseñado por Dallas Semiconductor.

FieldPoint FP DO 400: o

Hasta 2 A por canal, 9 A cuadrados por módulo

o

Rango de 5 a 30 VDC

o o

Led indicador de estado encendido/apagado por canal Rango de operación de -40 a 70 ℃

o

OperaciónHotPnP (plug-and-play)

NI CompactRIO ( NI cRIO-9075): o

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Sistema robusto y embebido de monitoreo y control con rango de temperatura de -20 a 55 °C Procesador industrial en tiempo real de 400 MHz para control, registro de datos y análisis Chasis FPGA LX25 de 4 ranuras para temporización, control y procesamiento de E/S personalizados

Protocolo de comunicación; es un bus donde disponemos de un maestro y varios esclavos en una sola línea de datos (pin de nuestro Arduino) en la que se alimentan. Por supuesto, necesita igualmente una referencia a tierra común a todos los dispositivos. También debemos conocer que la línea de datos/Alimentación debe de disponer de una resistencia de pullup conectada a alimentación para cuando no se produzca la transmisión de datos cuando tengamos 5 voltios en dicha línea. En este tipo de sensores podemos encontrar dos tipos de alimentación:

Puerto Ethernet 10/100Base-T; puerto serial RS232 para conexión a periféricos Una sola entrada de suministro de potencia de 19 a 30 VDC Tamaño pequeño ideal para aplicaciones OEMcon descuento por volumen.

5) Consultar como se utiliza el sensor DS18B20 con Arduino, detallar el código necesario y las librerías que el programa necesita. (Adicionalmente anexar esto en el procedimiento del informe)

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y queremos leer independientemente cada uno de ellos. Un ejemplo de dirección de dispositivo de estos sensores puede ser {0×28, 0xC7, 0xE8, 0×06, 0×05, 0×00, 0×00, 0xDC}. Arriba hemos visto la forma de leer los sensores por Index, que para varios sensores la verdad no es muy recomendado ya que la propia librería se encarga de asignar la posición de los sensores para ser leídos, por eso vamos a trabajar con la dirección específica para cada sensor y así tener el control sobre ellos. Lo primero que vamos a tener que hacer es detectar cual es la dirección del dispositivo, para ello conectamos el sensor a nuestro Arduino (en este caso he realizado la prueba con un Arduino Mega2560, pero vale con cualquier otro Arduino, lo único que tenéis que cambiar es el pin donde conectamos el sensor) * El primero de ellos alimenta a los dispositivos en modo parásito, esto quiere decir que solo suministra alimentación mientras se realizan las operaciones de conversión de temperatura, se deben puentear las patillas GND y VDD del DS18B20 a GND del Arduino. * El segundo es alimentación de los sensores mediante una fuente de alimentación externa conectada a la patilla VDD del DS18B20, y la patilla GND al pin GND de Arduino. Ahora vamos al lío, aquí tenéis el esquema de conexionado de los tres sensores y dos led indicadores de temperatura:

El código para obtener la dirección del sensor es el siguiente: + expandsource Un ejemplo de uso de estos comando con la librería DallasTemperature y 5 sensores DS18B20:

NOTA: Las conexiones a GND de los sensores 2 y 3 están mal en el esquema de Fritzing, tienen que ir donde GND del Arduino. La alimentación tipo parasito y en el programa que he realizada básicamente indicamos el pin por el que vamos a comunicar nuestros sensores con el Arduino, añadiendo para ello dos librerías, las cuales son OneWire.h y DallasTemperature.h. Leemos la temperatura de los 3 sensores DS18B20 y mostramos mediante el monitor serie dichas temperaturas, además mostramos una temperatura media de las tres, y guardamos la temperatura mínima y máxima para mostrar también. Los diodos led se encienden dependiendo de la temperatura media que tengamos, el led verde se enciende para una temperatura de menos de 22ºC y el led rojo indica una temperatura mayor de 22ºC. Los sensores a través de su dirección de dispositivo, ya que bien podemos tener distintos sensores colocados en varios sitios

codigo

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#include #include #define ONE_WIRE_BUS 2

OneWireoneWire(ONE_WIRE_BUS); DallasTemperaturesensors(&oneWire);

void setup(void) { Serial.begin(9600); Serial.println("Dallas Temperature IC Control Library Demo"); sensors.begin();

Como pueden ver, hay una línea sensors.getTempCByIndex(0), ese índice se utiliza para leer cada sensor conectado en paralelo. No hay necesidad de utilizar varios pines del Arduino, sólo conectamos más DS18B20 en paralelo y vamos aumentando el índice. PROCEDIMIENTO

En este caso se cuenta con un instrumento de adquisición de datos que toma el valor de Voltaje en V, dado por el sensor, el cual es un indicador de la temperatura que está sensando. Con el propósito de conocer el comportamiento del instrumento de medición se ha utilizado un sensor DS18B20 para caracterizar estos valores, de esta manera para cada lectura de voltaje se ha tomado el valor de temperatura dado por el sensor DS18B20 de características conocidas. CÁLCULO TIPO

Para esta práctica se debe realizar la caracterización de un sensor de temperatura. A partir de la toma de datos realizados para una termocupla, encuentre la curva característica del sensor que permite transformar los valores de Voltaje en Temperatura. (Nota: el valor de voltaje presentado en la tabla tiene en cuenta la acción realizada por un amplificador)

}

void loop(void) { Serial.print("Conectando..."); sensors.requestTemperatures(); Serial.println("Listo"); Serial.print("Temperatura: "); Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0));

}

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TERMOCUPLA V [Voltios]

T [°C]

1,31

25

1,37

26

1,42

27

1,47

28

1,52

29

1,58

30

1,63

31

1,68

32

1,73

33

1,79

34

1,84

35

1,89

36

1,95

37

2,00

38

2,05

39

2,10

40

2,16

41

2,21

42

2,26

43

2,31

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CONCLUSIONES 

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

Se analizaron los diferentes tipos de sensores conociendo sus principales características, ventajas y desventajas; de esta manera se obtuvo claridad de su funcionamiento y el criterio para seleccionarlos de acuerdo a la situación presentada. Se comprueba la relación existente entre la temperatura y el voltaje entregado por la termocupla que sin embargo no es lineal, y por tanto se debe caracterizar su curva para conocer los valores de temperatura que corresponden a cada voltaje. Dentro de los diferentes instrumentos de medición de temperatura, la termocupla es el más usado, por su simplicidad, costo y fácil uso. Proporciona valores muy aproximados y es de fácil implementación para control debido a su relación del voltaje con la temperatura.

BIBLIOGRAFÍA 

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Holman, J. P. "Transferencia de calor." , McGrawHill, 1989. http://es.scribd.com/doc/22416744/Medidor-deTemperatura-Con-Termocupla http://www.nivelatermografia.net

ANÁLISIS DE RESULTADOS

La curva que caracteriza la termocupla para la medición de las diferentes temperaturas es:

Temperatura VS Voltaje ] 60 c [ a r 40 u t a r 20 e p m 0 e T

T = 18,99V + 0,061 R² = 0,999 T [°C] Linear (T [°C]) 0.00

1.00

2.00

3.00

Voltaje [V]

Se observa que la gráfica no es lineal, esto debido al principio de funcionamiento de la termocupla por el efecto seebeck, sin embargo se puede linealizar los datos ya que son muy cercanos al real.

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Informe Laboratorio 1: Sensores

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