EXTENSIÓN LATACUNGA
INGENIERÍA MECATRÓNICA M ATERIA:
INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL MECÁNICA NIVEL:
SEXTO “A” TEMA L ABORATORI ABORATORIO O:
ACONDICIONAMIENTO CONDICIONAMIENTO DE UN SENSOR DE TEMPERATURA INTEGRANTES :
CONDE JORDÁN, SANTIAGO PAÚL CARRERA AGAMA, DANIEL ERNESTO GORDÓN CHICAIZA, CARLOS ALBERTO MARTÍNEZ VERDESOTO, RUSBEL ALEXANDER
LATACUNGA - ECUADOR OCT 17 – FEB 18
1. TEMA Acondicionamiento de un sensor de temperatura LM35.
2. OBJETIVOS Objetivo general Analizar las características, funcionamiento y acondicionamiento del sensor de temperatura LM35.
Objetivo especifico Diseñar la etapa de acondicionamiento del sensor de temperatura LM35 para obtener señales eléctricas estandarizadas. Analizar el comportamiento del sensor LM35 a diferentes temperaturas y comparar con un patrón de medida en este caso con un termómetro de mercurio.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1. Temperatura La temperatura es la magnitud física que mide el nivel térmico o el calor que un cuerpo posee, toda sustancia en determinado estado de agregación (sólido, líquido o gas), está constituida por moléculas que se encuentran en continuo movimiento. La suma de las energías de todas las moléculas del cuerpo se conoce como energía térmica; y la temperatura es la medida de esa energía promedio. Existen cinco escalas de temperatura las cuales son: Grados Fahrenheit Grados Celsius Grados Kelvin Grados Reumur Grados Rankin
En la escala Fahrenheit, se definen los puntos de congelación y de ebullición normales del agua en 32°F y 212ºF, respectivamente. La escala Celsius divide en 100 grados el intervalo comprendido entre el punto de congelación (0ºC) y el punto de ebullición del agua (100ºC) (Deficiones, 2017).
3.2. Tipos de sensores de temperatura Termopares: Los termopares utilizan la tensión generada en la unión de dos
metales en contacto térmico, debido a sus distintos comportamientos eléctricos. Resistivos:
o PT100
Lo constituyen las RTD (Resistance Temperature basadas
en
la dependencia
de la
Detector)
resistividad
de
un conductor con la temperatura, están caracterizadas por un coeficiente de resistividad positivo PTC (Positive Termal Coefficient). También lo son las NTC (Negative Termal Coefficient), que se llaman termistores y están caracterizadas por un coeficiente de temperatura negativo. Semiconductores: Se basan en la variación de la conducción de una unión
P - N polarizada directamente. Digitales: En son aquellos que valiéndose de dispositivos transductores,
utilizan luego circuitos electrónicos para convertir en números las pequeñas variaciones de tensión obtenidas, mostrando finalmente la temperatura en un visualizador (Creus, 2011).
3.3. Sensor de Temperatura LM35 Es un sensor de temperatura con tres terminales, una que corresponde a la de alimentación al voltaje positivo, otra terminal que se conecta a GND, y la tercera es la que entrega un valor de voltaje en función a la magnitud de temperatura a la que está sometido. Este sensor de temperatura tiene la capacidad de medir temperaturas dentro de un rango de –55°C a +150 °C que en voltajes corresponde a –55mV a +1500mV. La ventaja, al emplear
este integrado, radica en el hecho de que el nivel de voltaje que entrega de acuerdo
a
la
temperatura
que
mide, ya se encuentra calibrada en ºC, además de que cada incremento de 10mV equivale a 1ºC (Carapaz, 2011).
Ilustración 1. Diseños del LM35
Ilustración 2. Modelo de LM35
3.4. Amplificador El objeto de un amplificador electrónico, es elevar el valor de la tensión, corriente o potencia de una señal variable en el tiempo, procurando mantenerla lo más fiel posible. Los parámetros que caracterizan a un amplificador son los siguientes:
Ilustración 3. Parámetros de un amplificador.
Donde:
A = ganancia del amplificador. Grado de amplificación. Ve = tensión de entrada. ie = Intensidad de entrada. Ze = Impedancia de entrada. Vs = tensión de salida. is = Intensidad de salida. Zs = Impedancia de salida. La ganancia (A), es la relación entre la salida y la entrada. Se puede distinguir entre ganancia de tensión, corriente y potencia.
Av = Vs/Ve ganancia de tensión. AI = is/ie ganancia de corriente. Ap = Ps/Pe = Av.AI ganancia de potencia. 3.5. Amplificador Operacional El amplificador operacional (AO), es un amplificador que posee, dos entradas activas referidas a masa (entrada diferencial); la entrada inversora (-), y la no inversora (+). Tiene una salida y se alimenta con tensión simétrica (dos fuentes de tensión).
4. MATERIALES Y EQUIPOS MATERIAL
CANTIDAD CARACTERÍSTICAS
LM35
1
LM741
1
Multímetro
1
Fuente
1
Resistencias
2
La tensión de salida es proporcional a la temperatura. Tiene una precisión garantizada de 0.5 °C a 25 °C. Baja impedancia de salida. Baja corriente de alimentación (60 μA). Bajo coste. Infinita ganancia en lazo abierto. Infinita resistencia de entrada, Corriente de entrada cero. Voltaje de desequilibrio de entrada cero. Infinito rango de voltaje disponible en la salida. Su característica principal es medir resistencia, corriente, tensión eléctrica" y temperatura. Suministrar la cantidad de corriente y voltaje de acuerdo a las necesidades del usuario. La oposición al flujo de electrones al moverse a través de un conductor.
GRÁFICO
Tablero con orificios que se encuentran conectados eléctricamente entre sí de manera interna, habitualmente siguiendo patrones de líneas, en el cual se pueden insertar componentes electrónicos. Par trenzado a menudo se agrupan y encerrados en una funda protectora para formar un solo cable. Es un reactor químico portátil usado para generar una llama.
Protoboard
1
Cables de conexión
10
Encendedor
1
Hielo
1
Termómetro
1
Es agua congelada, el agua pura se congela a 0 °C cuando se halla sometida a una atmósfera de presión. Es un instrumento de medición de temperatura. La sustancia que se utilizaba más frecuentemente en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.
5. PROCEDIMIENTO 5.1. PROCEDIMIENTO DE ARMADO Una
vez
obtenido
todos
los
materiales
y
conociendo
su
funcionalidad, procedemos a realizar el armado del circuito sensorial de temperatura.
Colocamos una resistencia en serie con el LM35 este va conectada con el terminal de la mitad del sensor de temperatura.
Después del terminal de la mitad del LM35 va conectada al amplificador el cual va a entrar por el pin 3.
A la salida del amplificador el pin 2 va a conectarse un potenciómetro para regular la medición y al final va conectada otra resistencia.
5.2. PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN
La medición de temperatura con el circuito, primero tenemos que tomar la temperatura ambiente con otro dispositivo patrón de medición él nos permita con nuestro sensor.
Una vez regulado a la temperatura ambiente procedemos a tomar datos a diferentes temperaturas, en este caso seguimos una tabla de temperatura la cual la máxima es 100°C y la mínima es 0°C.
Para llegar a la temperatura máxima se utiliza un encendedor y lo acercamos al sensor construido junto al patrón de medición de temperatura para compararlo y obtener datos más seguros y eficientes.
Para llegar a la temperatura mínima se utiliza cubo o cubos de hielo y de la misma manera lo acercamos al sensor construido en conjunto al patrón de medición para de igual manera ir comparando y obtener datos más cercanos a la realidad.
5.3. PROCEDIMIENTO DE DESARMADO
Al finalizar la practica procedemos a desarmar el sensor construido de tal manera que no se dañe los elementos eléctricos.
En primer lugar, procedemos a sacar los cables de conexión con la fuente y los de los dispositivos eléctricos.
Luego procedemos a sacar las resistencias y el potenciómetro.
Por últimos sacamos el LM35 con el amplificador LM741.
6. CÁLCULOS 6.1. AMPLIFICACIÓN El LM35 posee un comportamiento idealmente lineal, con un margen de ganancia de 10 [/°], entre un rango de 0 100 [°] este instrumento da un voltaje de salida de 0 1 []. Para la práctica se va amplificación el rango de que vaya de 0 − 5 [], como se puede ver en la ilustración 4. Tabla 1. Valores de comportamiento lineal y de amplificación
T [°C]
Vo [V] LM35
Vo [V] Ganancia "5"
0 25 50 75 100
0 0,25 0,5 0,75 1
0 1,25 2,5 3,75 5
5 4,5 4 3,5 3
] V [ 2,5 o V
SIN GANANCIA
2
CON GANANCIA DE 5 1,5 1 0,5 0 0
25
50
75
100
Temperatura [°C]
Ilustración 4. Voltaje de comportamiento lineal y ganancia A=5 vs Temperatura
Ilustración 4. Amplificación del LM35
Para la obtención de la ganancia se obtiene de la siguiente forma: = ∗ 5 [] = ∗ (1 []) = 5
Donde, = = , 35 =
Para lo cual se diseña un amplificador operacional LM741 en configuración no inversor L, con = 1 .
Ilustración 5. Amplificador Operacional no inversor
Para encontrar el valor de la resistencia 2 , se obtiene de la siguiente manera. 2 = 1 + 2 5=1+ 1[Ω] 4 ∗ 1 [Ω] = 2 2 = 4 [Ω]
Dentro del valor comercial no tenemos un valor de 2 = 4[Ω], para lo cual utilizamos una 2 = 3.9 [Ω] o 2 = 3.9[Ω] en nuestro caso utilizamos un potenciómetro de 5[Ω].
7. DISEÑO
Ilustración 6. Circuito de acondicionamiento del LM35 con un AO LM741
Mediante el software Proteus se realizó la simulación de la ilustración 7, en conjunto con la etapa de sensado y la etapa de amplificación.
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS Dentro del análisis de resultados se obtuvo lo siguiente:
Datos teóricos Tabla 2. Valores de comportamiento lineal y de amplificación
T [°C]
Vo [V] LM35
Vo [V] Ganancia "5"
0
0
0
25
0,25
1,25
50
0,5
2,5
75
0,75
3,75
100
1
5
Voltaje LM35 (Teórico) 1,5 1 V
0,5 0 0
20
40
60
80
100
120
T
Ilustración 8. Gráfica del voltaje del sensor LM35
Voltaje Amplificado "5" (Teórico) 6 4 V
2 0 0
20
40
60 T
80
100
120
Ilustración 9. Voltaje Amplificado con una ganancia de 5.
En el datasheet del LM35 tiene un rango de medición de 0ºC a 100ºC de 0V a 1V, entonces se aplica una ganancia de 5. Las gráficas representan un incremento en la que la variación tanto del LM35 y de la ganancia es lineal.
Datos del Laboratorio Tabla 3. Datos obtenidos durante la práctica del laboratorio.
T ºC 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
V1 [V] LM35
V2 [V] Ganancia “5”
0.0001 0.10 0.19 0.30 0.40 0.50 0.59 0.71 0.80 0.91 0.99
0.001 0.49 1 1.48 2.01 2.51 3.04 3.50 3.56 4.65 4.94
Voltaje LM35 (Práctico) 1,2 1 0,8 0,6 V
y = 0,01x - 0,0022 R² = 0,9996
0,4 0,2 0
-0,2
0
20
40
60 T
80
100
120
Ilustración 10. Gráfica del voltaje LM35 obtenido mediante los d atos de la práctica.
Voltaje Amplificado "5" (Práctico) 6 5 4 V3
2
y = 0,0492x + 0,0126 R² = 0,9923
1 0 0
20
40
60
80
100
120
T
Ilustración 11. Gráfica del voltaje amplificado (A=5) con los datos obtenidos de la práctica.
Luego del análisis de la tabla que se obtuvo al medir el voltaje se obtuvieron dos gráficas, la primera del LM35 en la que se obtuvieron valores aplicando una regresión lineal y se obtuvo una aproximación a la recta del 99,96%. Así mismo aplicando la ganan cia de “5” y midiendo el voltaje se obtuvo una curva en la que se aplicó una regresión lineal y se obtuvo una aproximación a la recta del 99.23%.
9. CONCLUSIONES
Al obtener la tabla con los datos obtenidos del voltaje del LM35 y de su amplificación por “5” y realizar u na aproximación a estos valores se obtuvo
que su ajuste a la curva es excelente por lo que los datos en el LM35 tienen un error del 0.04% y de la ganancia por “5” tiene un error del 0.77% con lo
que se obtuvo un modelo adecuado y la medición de la temperatura fue bastante cercano a la realidad.
El diseño para la medición de temperatura con el elemento LM35 mostrado anteriormente es una de la más idónea para el caso de una ganancia de 5, ya que así obtenemos un valor de temperatura más cercano a la realidad, así también, para la obtención de una medición a 0° se tomó en cuenta una protección para el elemento medidor en este caso no se tomó en cuenta la obstrucción del mismo pero la medición fue la adecuada.
El comportamiento del LM35 en un rango de 0 a 100 °C varia de forma lineal, es decir proporcional a la temperatura en grados centígrados contando con una precisión exacta y fácil de entender, por otro lado, los termómetros de mercurio son frágiles a los saltos bruscos de temperatura, tienen rangos pequeños de medición y son de difícil lectura.
10. RECOMENDACIONES
Los termómetros electrónicos requieren un sistema de captura y ampliación de la señal para no cometer errores de lectura.
Los termómetros electrónicos necesitan una calibración frecuente, puesto que hay muchas pequeñas variables que no pueden ser controladas en su uso, como la tensión de la línea, la humedad del ambiente, la aislación, el desgaste de los elementos de los circuitos, etc.
BIBLIOGRAFÍA
Carapaz, M. (14 de 04 de 2011). Obtenido https://es.scribd.com/doc/53002505/Informe-Sensores-de-Temperatura
de
Creus, A. (2011). Instrumentación industrial. México: Alfaomega Grupo Editor,. (12 de 12 de Deficiones. http://conceptodefinicion.de/temperatura/
2017).
Obtenido
de
Pedroza, Y. (27 de AGOSTO de 2012). SlideShare. Obtenido de http://es.slideshare.net/paopedroza/aplicaciones-de-las-ecuacionesdiferenciales-a-problemas-vaciado-de-tanques-autoguardado (12 de 12 de 2017). Obtenido UNICROM . https://unicrom.com/amplificador-operacional-no-inversor-gananciaimpedancias/
ANEXOS
de
Product Folder
Sample & Buy
Support & Community
Tools & Software
Technical Documents
LM35 SNIS159G –AUGUST 1999–REVISED AUGUST 2016
L M 3 5 P r e c is io n C e n ti g r a d e T e m p e r a tu re S e n s o r s 1 Features
3 Description
•
Calibrated Directly in Celsius (Centigrade)
• • •
Linear + 10-mV/°C Scale Factor 0.5°C Ensured Accuracy (at 25°C) Rated for Full − 55°C to 150°C Range
• • • • • • •
Suitable for Remote Applications Low-Cost Due to Wafer-Level Trimming Operates from 4 V to 30 V Less than 60-μ A Current Drain Low Self-Heating, 0.08°C in Still Air Non-Linearity Only ±¼°C Typical Low-Impedance Output, 0.1 Ω for 1-mA Load
The LM35 series are precision integrated-circuit temperature devices with an output voltage linearlyproportional to the Centigrade temperature. The LM35 device has an advantage over linear temperature sensors calibrated in Kelvin, as the user is not required to subtract a large constant voltage from the output to obtain convenient Centigrade scaling. The LM35 device does not require any external calibration or trimming to provide typical accuracies of ±¼°C at room temperature and ±¾°C over a full − 55°C to 150°C temperature range. Lower cost is assured by trimming and calibration at the wafer level. The low-output impedance, linear output, and precise inherent calibration of the LM35 device makes interfacing to readout or control circuitry especially easy. The device is used with single power supplies, or with plus and minus supplies. As the LM35 device draws only 60 μ A from the supply, it has very low self-heating of less than 0.1°C in still air. The LM35 device is rated to operate over a −55°C to 150°C temperature range, while the LM35C device is rated for a −40°C to 110°C range (−10° with improved accuracy). The LM35-series devices are available packaged in hermetic TO transistor packages, while the LM35C, LM35CA, and LM35D devices are available in the plastic TO-92 transistor package. The LM35D device is available in an 8-lead surface-mount small-outline package and a plastic TO-220 package.
1
2 Applications • • • •
Power Supplies Battery Management HVAC Appliances
Device Information (1) PA RT NUMB ER
LM35
PA CK AGE
B ODY SIZE (NOM)
TO-CAN (3)
4.699 mm × 4.699 mm
TO-92 (3)
4.30 mm × 4.30 mm
SOIC (8)
4.90 mm × 3.91 mm
TO-220 (3)
14.986 mm × 10.16 mm
(1) For all available packages, see the orderable addendum at the end of the datasheet.
Basic Centigrade Temperature Sensor (2°C to 150°C)
Full-Range Centigrade Temperature Sensor +VS
+VS (4 V to 20 V)
LM35 LM35
VOUT
OUTPUT 0 mV + 10.0 mV/°C
R1
tVS Choose R1 = –VS / 50 µA VOUT = 1500 mV at 150°C VOUT = 250 mV at 25°C VOUT = –550 mV at –55°C 1
An IMPORTANT NOTICE at the end of this data sheet addresses availability, warranty, changes, use in safety-critical applications, intellectual property matters and other important disclaimers. PRODUCTION DATA.
