Universidad Tecnologica de Queretaro
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[email protected] Date: 2007.05.24 16:14:40 -06'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO VOLUNTAD. CONOCIMIENTO. SERVICIO CARRERA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
REPORTE FINAL DE ESTADÍA PARA OBTENER EL TÍTULO DE TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
TÍTULO DEL PROYECTO: CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA MEDIDOR DE TEMPERATURA PARA UN HORNO SOLAR UTILIZANDO UNA PC
EMPRESA: CICATA-IPN UNIDAD QUERÉTARO
PRESENTA: ALBERTO DORANTES BAEZA
ASESOR DE LA EMPRESA: DR. EDUARDO MORALES SÁNCHEZ
ASESOR DE LA UTEQ: ING. FELIPE PATIÑO JIMÉNEZ SANTIAGO DE QUERÉTARO, QRO. ENERO DE 2007
DEDICATORIAS Con mucha estimación por todo su apoyo y confianza le dedico este trabajo a mi familia y en especial a mis padres Paula Baeza Estrada y José Antonio Castro Mendoza
AGRADECIMIENTOS Primero que nada gracias a Dios por esta oportunidad de logras el termino de esta carera. Les agradezco a todos los profesores de la carera de Mantenimiento por proporcionarme los conocimientos necesarios para alcanzar esta meta. A mi asesor de la empresa al Dr. Eduardo Morales Sánchez le agradezco su paciencia para conmigo y compartir sus conocimientos. cono cimientos. Les agradezco a mis padres todo lo que me proporcionaron para poder ser la persona que ellos esperan que sea.
No me que dan palabras para expresar ex presar a todas las personas person as que hicieron realidad esto que decirles MUCHAS GRACIAS
DEDICATORIAS Con mucha estimación por todo su apoyo y confianza le dedico este trabajo a mi familia y en especial a mis padres Paula Baeza Estrada y José Antonio Castro Mendoza
AGRADECIMIENTOS Primero que nada gracias a Dios por esta oportunidad de logras el termino de esta carera. Les agradezco a todos los profesores de la carera de Mantenimiento por proporcionarme los conocimientos necesarios para alcanzar esta meta. A mi asesor de la empresa al Dr. Eduardo Morales Sánchez le agradezco su paciencia para conmigo y compartir sus conocimientos. cono cimientos. Les agradezco a mis padres todo lo que me proporcionaron para poder ser la persona que ellos esperan que sea.
No me que dan palabras para expresar ex presar a todas las personas person as que hicieron realidad esto que decirles MUCHAS GRACIAS
ÍNDICE INTRODUCCIÓN………………………………………………………… INTRODUCCIÓN…………………………… ………………………………………. …………. 1
CAPÍTULO I LA EMPRESA………………………………………………………. EMPRESA………………………………………………………. 3 1.1 CICATA IPN QUERÉTARO…………………………… QUERÉTARO……………………………………………………. ………………………. 4 1.2 GIRO…………………………… GIRO…………………………………………………………… ………………………………………………... ………………... 4 1.3 UBICACIÓN……………………………… UBICACIÓN…………………………………………………………… …………………………………….. ……….. 5 1.4 MISIÓN…………………………… MISIÓN………………………………………………………… …………………………………………….. ……………….. 5 1.5 VISIÓN………………………………… VISIÓN……………………………………………………………… ……………………………………….. ………….. 5 1.6 POLÍTICAS Y VALORES………………………… VALORES……………………………………………………… …………………………… 5
CAPÍTULO II PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 2.1 PUNTOS DE REFERENCIA DEL PROYECTO ………………………………....8 2.2 OBJETIVO………………………………… OBJETIVO……………………………………………………………… ……………………………………... ………... 8 2.2.1 Objetivos específicos:……..……………………………… específicos:……..…………………………………………………….. …………………….. 8 2.4 JUSTIFICACIÓN…………………………… JUSTIFICACIÓN………………………………………………………… ……………………………………. ………. 8 2.5 HIPÓTESIS……………………………………………………………………….. 9
CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO 3.1 HORNO SOLAR………………………… SOLAR…………………………………………………… ………………………………………. ……………. 10 3.2 DISEÑO DE UN INSTRUMENTO DE MEDICIÓN…………………………… 11 3.3 SENSORES…………………………… SENSORES………………………………………………………… …………………………………………. ……………. 12 3.3.1 Sensores de temperatura……………………………………………………..…. temperatura……………………………………………………..…. 13 3.3.2 Sensores de temperatura con termopares……………………………………….. 14 3.3.3 Acondicionadores de señal para termopares. AD595………………………..… 17 3.4 SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (SAD)…………………………..…. 17 3.5 MICROCONTROLADORES………………… MICROCONTROLADORES………………………………………..………….... ……………………..………….... 21 3.6 COMUNICACIÓN DE PUERTO SERIAL………………………………….….... 25 3.6 LabVIEW……………………………… LabVIEW…………………………………………………………… ……………………………………..…… ………..…… 27
CAPÍTULO IV DESARROLLO DEL PROYECTO 4.1 DESCRIPCIÓN Y CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES..………….………….. 29 4.2 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN HORNO SOLAR………………... 31 4.3 DISEÑO DE MEDIDOR DE TEMPERATURA…………………………………. 35 4.3.1 Diseño de un medidor de temperatura para un horno solar usando una PC..….... 36 4.4 DISEÑO DE LOS BLOQUES DEL MEDIDOR DE TEMPERATURA…………. 37 4.4.1 Bloque sensor temperatura………………………………………………………. 37 4.4.2 Determinar el sensor de temperatura adecuado………………………………….. 37 4.4.3 Bloque acondicionador de señal…………………………………………………. 39 4.4.4 Bloque sistema de adquisición…………………………………………………... 43 4.5 PRUEBAS DEL CIRCUITO Y LOS TERMOPARES…………………………… 48 4.5.1 Pruebas del funcionamiento de los canales……………………………………… 50 4.5.2 Pruebas finales del circuito con el programa……………………………………. 52 ANÁLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA
INTRODUCCIÓN Universidad Tecnológica de Querétaro es una Institución de Educación Superior, cuyo propósito es la formación integral de Técnicos Superiores Universitarios, que satisfagan con excelencia las necesidades del sector empresarial y las expectativas de los jóvenes interesados en desarrollarse dentro de este sector. Por medio de la universidad se realizó un proyecto de estadía en el cual se diseñó y se construyó un sistema medidor de temperatura que será implementado para un horno solar utilizando una PC. La temperatura desde el punto de vista de importancia, la tiene en alto grado, ya que nos sirve como punto de referencia de bastantes eventualidades y diagnósticos. Debido a que es una medida bastante lenta su trabajo en sí no la hace un factor difícil de estudiar. Desde hace tiempo se ha tratado de ampliar su campo de conocimiento y se han descubierto varios métodos de medición, y escalas para su estudio. En este reporte se dará a conocer un método desde el punto de vista electrónico y se especificará el tipo de sensor de temperatura a utilizar. Se empezará con un estudio del sistema por medio de amplificadores operacionales, luego con el integrado AD594/AD595. Todos estos sistemas lo que hacen es recibir la señal proveniente del termopar y la comparan con lo que son un punto frío y de referencia para darla al amplificador que calibra la señal con respecto al verdadero incremento de temperatura y la entrega expresada en un voltaje (1mV/°C), que visualiza el conversor análogo-digital. Para este se utilizará un Sistema Adquisición de Datos (con un PIC16F877), equipo electrónico cuya función es el control o simplemente el registro de una o varias variables que se genere en la medición, para poder generar los resultados en una PC por medio de la programación que permitirá graficar en la PC (por medio del lenguaje G) y así tener los resultado de medición con mayor facilidad. 1
CAPÍTULO I LA EMPRESA
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1.1 CICATA IPN QUERÉTARO La Unidad Querétaro del Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada (CICATA) es una institución federal dependiente del Instituto Politécnico Nacional (IPN), creada por decreto presidencial el 2 de septiembre de 1996, con el objetivo de servir de enlace entre la comunidad científica y los sectores productivos de bienes y servicios. Para el cumplimiento de este objetivo, CICATA-IPN Unidad Querétaro, desarrolla programas de investigación científica y tecnológica con un enfoque interdisciplinario y, asimismo, atiende la formación de recursos humanos de alto nivel contribuyendo decisivamente al fortalecimiento de la calidad y la competitividad nacional e internacional del aparato productivo en México.
1.2 GIRO
•
Desarrollo investigación científica y tecnológica enfocada a la atención y solución de necesidades de desarrollo de los sectores productivos, priorizando la innovación.
•
Impartir cursos de posgrado, diplomados y actualización, así como desarrollar simposiums, coloquios, encuentros y programas de intercambio académico con instituciones educativas del país y extranjeras, así como con los sectores productivo,
público, social y privado. •
Participar en las actividades académicas, científicas y culturales que desarrollen las escuelas, centros y universidades de enseñanza y de investigación del IPN, así como otras instituciones afines.
•
Elaborar estudios y coordinar acciones con los sectores productivos de bienes y servicios, para identificar requerimientos de los diferentes sectores proponiendo las soluciones que correspondan.
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1.3 UBICACIÓN Actualmente CICATA-IPN Unidad Querétaro se encuentran ubicado en: Cerro Blanco 141 Colonia Colinas del Cimatario Santiago de Querétaro, Querétaro México. C.P. 76090
1.4 MISIÓN La misión del CICATA-IPN, Unidad Querétaro es la de contribuir al desarrollo económico y social de México fomentando en la sociedad el entendimiento y la aplicación de la ciencia y la tecnología, a través de proyectos productivos de desarrollo tecnológico, y de la formación de recursos humanos de excelencia, encaminados a incrementar la productividad dentro de nuestro país. Con esta misión se aproxima a la sociedad de la cual forma parte y fortalecerá su relación en la medida de que cumpla con los propósitos aquí enmarcados.
1.5 VISIÓN La visión del CICATA-IPN Unidad Querétaro es ser un centro reconocido internacionalmente como impulsor del desarrollo nacional, a través de la investigación científica, el desarrollo tecnológico y la formación de recursos humanos de excelencia, preferidos por la sociedad para la realización de estudios estratégicos prioritarios, de interés nacional, y de impacto mundial.
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1.6 POLÍTICAS Y VALORES Como principios y valores de su organización, CICATA-IPN Unidad Querétaro, reconoce: Integridad, en el compromiso de generar riqueza, productividad y desarrollo social. Responsabilidad, al ser congruente en el ámbito de la competencia institucional. Diligencia, por estar motivados hacia una acción bien definida en sus alcances. Perseverancia, en entender que el desarrollo del plan es a largo plazo. Disciplina, en la descripción ordenada de las acciones apegadas a las atribuciones institucionales.
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CAPÍTULO II PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2.1 PUNTOS DE REFERENCIA DEL PROYECTO 6
En este proyecto de estadía se realizará la Construcción de un sistema medidor de temperatura para un horno solar utilizando una PC. El proyecto se realizará adecuando las actividades para que se alcancen en el tiempo estimado de estadía. Para ello se propone una metodología de diseño y construcción del medidor de temperatura.
2.2 OBJETIVO: Diseñar y construir un sistema medidor de temperatura para medir en diferentes puntos de un horno solar.
2.2.1 Objetivos específicos:
•
Determinar el tipo de sensor adecuado para un horno solar:
•
Determinar la configuración de los sensores para medir temperatura en un horno solar:
•
Diseño y construcción de acondicionador de señal para los sensores de temperatura:
•
Construcción de un sistema de adquisición de datos para PC para medir 4 puntos de temperaturas.
•
Diseño de subrutinas que salven los datos de las temperaturas y programas que generen resultados de las medidas en la PC.
•
Diseñar un programa específico para PC cuya aplicación sea la adquisición y graficado de las 4 temperaturas del horno solar.
•
Acondicionar una caja protectora para el sistema medidor de temperatura.
2.4 JUSTIFICACIÓN La temperatura en un horno solar no es homogénea, es decir es diferente en cada punto dentro del horno. Esto es debido a que un horno solar recibe calor por medio de un espejo reflejante que no permite aplicar el calor de manera constante en una misma área. Por ello el medir temperatura en diferentes puntos de un horno solar permitirá optimizar 7
el diseño del horno y además conocer cual zona o área es la más caliente para poner lo que se quiera calentar.
2.5 HIPÓTESIS Se busca tener una buena observación, eficacia y facilidad de la medición del horno solar a la que se aplicara el medidor de temperatura. Para esto se obtendrán los resultados del horno en largo tiempo de medición y con alta temperatura para poder ser analizados más fácilmente en tiempo real.
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CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO
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3.1 HORNO SOLAR El horno solar es un concentrador multicompuesto que consiste en cuatro pares de espejos: 1 par de espejos cilíndrico parabólicos homofocales; 1 par de espejos planos; 1 par de espejos del tipo CPC (Concentradores del tipo Parabólico Compuesto) para absorbedor de sección circular, y 1 par de espejos cuya sección transversal corresponde a la involuta de una circunferencia, como se bosqueja en la figura 3.1. Con esta construcción se capta radiación solar sin necesidad de seguir al sol y se concentra sobre un cilindro circular recto, que se cierra herméticamente y se presuriza al calentarse a temperaturas superiores a los 100 oC. El cilindro es el horno dentro del cual se introduce un recipiente de acero inoxidable, en el cual se colocan los alimentos a cocinarse, y en donde se introducirán los sensores para realizar las mediciones de temperatura a las que puede llegar y así poder obtener los datos en la computadora.
Partes del horno solar diseñado en el laboratorio: 1.- Tubo protector de cobre. 2.- Aislante térmico (poliuretano). 3.- Parábolas que actúan como paredes del horno, hechas de madera. 4.- Espejos superiores (alas), de lámina de acero inoxidable acabado espejo. 5.- Espejos sostenidos por el poliuretano. 6.- Contenedor de alimentos, hecho de lámina de acero inoxidable. 7.- Tapa de seguridad y presión, hecha de nylamaid. 8.- Base para sostener el horno y poderlo posicionar, hecha de solera (en este caso se le agregaran llantas para una mejor movilidad del equipo).
Fig. 3.1 Horno solar con concentrador multicompuesto. 10
3.2 DISEÑO DE UN INSTRUMENTO DE MEDICIÓN Instrumento de medición Hoy en día existen varios tipos de instrumentos de medición, para distintas áreas y tareas a utilizar. Los instrumentos de medición tienen unas características bastante importantes a considerar para su elección, tomando en cuenta para lo que se pudieran utilizar, estos instrumentos pueden medir distintas señales físicas que pudieran ser la temperatura, humedad, presión, posición, movimiento, corriente, conductividad, etc. Para el caso de diseñar un instrumento de medición sin importar en qué se utilizará cualquier instrumento se rige de alguna forma en un esquema general que se muestra en la Fig. 3.2.
Sensor
Adquisición
Procesado
Desplegado
Fig. 3.2 Esquema general de un instrumento de medición. De acuerdo con el esquema anterior cualquier instrumento cuenta con las características generales que son: sensor, adquisición, procesado y desplegado. En la parte del sensor todos los instrumentos de medición reciben una señal física de la cual se obtiene una señal eléctrica que pasa inmediatamente a la parte de adquisición, esta la señal es transformada en digital para desplazarla a la fase de procesado en la que se realizan los cálculos con la señal recibida y se termina con el desplegado para que los resultados puedan ser vistos por medio de alguna señal digital (pantalla).
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3.3 SENSORES Introducción Un sensor es cualquier dispositivo que detecta una determinada acción externa. Los sensores existen desde siempre, y nunca mejor dicho, porque el hombre los tiene incluidos en su cuerpo y de diferentes tipos. El hombre experimenta sensaciones como calor o frío, duro o blando, fuerte o flojo, agradable o desagradable, pesado o no. Y poco a poco le ha ido añadiendo adjetivos a estas sensaciones para cuantificarlas como frígido, fresco, tibio, templado, caliente, tórrido. Es decir, que día a día ha ido necesitando el empleo de magnitudes medibles más exactas.
Sensores electrónicos Los sensores electrónicos han ayudado no solo a medir con mayor exactitud las magnitudes, sino a poder operar con dichas medidas. Pero no se puede hablar de los sensores sin sus acondicionadores de señal, ya normalmente los sensores ofrecen una variación de señal muy pequeña y es muy importante equilibrar las características del sensor con las del circuito que le permite medir, acondicionar, procesar y actuar con dichas medidas.
Tipos de sensores Existe una gran cantidad de sensores en el mercado, para poder medir magnitudes físicas, de los que se pueden enumerar los siguientes: __ Temperatura
__ Luz
__ Acústicos
__ Humedad
__ Imagen
__ Imagen
__ Presión
__ Corriente
__Aceleración
__ Posición
__ Conductividad
__Velocidad
__ Movimiento
__ Resistividad
__ Inclinación
__ Caudal
__ Biométricos
__ Químicos
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En general se habla de sensores, pero se pueden distinguir las siguientes definiciones: __ Sensor: Es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal eléctrica. __ Transductor: Es un convertidor de d e un tipo de energía a otra.
Acondicionadores y procesadores de señal No se puede hablar de los sensores, como componentes electrónicos básicos, sin ver cómo se pueden adaptar a un sistema de adquisición y control, por lo que se tendrán que ver las nuevas tecnologías de adaptación de estos sensores que como parte de una cadena de dispositivos, forman un sistema. Estos adaptadores, como acondicionadores de señal, son los amplificadores operacionales en sus diferentes estructuras de montaje, pasando por filtros o por procesadores analógicos, convirtiendo estas señales de analógico a digital para posteriormente ser procesados p rocesados los datos con un DSP o microcontrolador y actuando por medio de las salidas lógicas del procesador o por medio de un convertidor digital a analógico.
3.3.1 Sensores de temperatura Probablemente sea la temperatura el parámetro físico más común que se mide en una aplicación electrónica, incluso en muchos casos en que el parámetro de interés no es la temperatura, ésta se ha de medir para incluir indirectamente su efecto en la medida deseada. La diversidad de sus aplicaciones ha condicionado igualmente una gran proliferación de dispositivos sensores y transductores, desde la sencilla unión bimetálica de los termostatos, hasta los dispositivos semiconductores más complejos.
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Tipos de sensores de temperatura 1. Termopares: Los termopares utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico, debido a sus distintos comportamientos eléctricos. 2. Resistivos: Lo constituyen las RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 basadas en la dependencia de la 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. 3. Semiconductores: Se basan en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente.
3.3.2 Sensores de temperatura con termopares Debido a su pequeño tamaño, responden rápidamente a los cambios de temperatura. Funcionan sobre rangos de temperatura criogénos, tiene una linealidad y exactitud razonable. Debido a que el número de electrones libres en un metal depende de la temperatura y de la composición del metal, dos metales de desigual isotermo, dan una diferencia de potencial que es una función repetible de la temperatura, como se muestra en la figura 3.3. El voltaje resultante depende de las temperaturas, T1 y T2, de una manera repetible. Puesto que el termopar es básicamente un dispositivo de medida diferencial, se necesita una temperatura de referencia conocida para una de las uniones, así la temperatura de la otra unión será deducida del voltaje de salida. Los termopares están fabricados de materiales especialmente seleccionados que se han caracterizado exhaustivamente en términos de voltaje con la temperatura de comparación, que normalmente es la del punto de agua/hielo de 0°C.
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Fig.3.3 Voltaje del termopar con referencia a 0º C. De todas maneras, se usa una técnica de medida alternativa mostrada en la Fig. 3.4. La temperatura de la unión de referencia se permite cambiar con el entorno del sistema de medida, pero es medida cuidadosamente por algún tipo de termómetro absoluto. Se puede usar una medida del voltaje del termopar combinada con una temperatura de referencia conocida para calcular la temperatura de la unión medida. Sin embargo, en la práctica se usa un método termoeléctrico termoe léctrico para medir la temperatura de referencia ref erencia y poner el voltaje de salida para que corresponda a un termopar referido a 0°C. Simplemente, este voltaje se añade al voltaje del termopar y entonces la suma corresponde al voltaje normal tabulado para un termopar de referencia de punto de hielo.
Fig. 3.4 Substitución de la temperatura de referencia para referencia del punto de hielo. En la tabla 3.1 se muestra los distintos tipos de termopares con su rango típico, su sensibilidad y la designación estándar.
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Material de la unión
Rango Típico (ºC)
Sensibilidad (_V/ºC)
Designación
Pt6%/Rodio – Pt(30%)/Rodio
-38 a 1800
7.7
B
16
C
Tungsteno
(5%)/Renio 0 a 2300
Tungsteno(26%)/Renio Cromo- Constantan
0 a 982
76
E
Hierro – Constantan
0 a 760
55
J
Cromo – Aluminio
-184 a 1260
39
K
Pt(13%)/Rodio – Pt
0 a 1593
11.7
R
Pt(10%)/Rodio – Pt
0 a 1538
10.4
S
Cobre- Constantan
-184 a 400
45
T
Tabla 3.1 Tipos de termopares y características. En la figura 3.5. se muestra la curva de algunos termopares con sus características eléctricas. El hecho de que los termopares sean dispositivos de bajo nivel de tensión, a la vez que de baja impedancia, hace que el acondicionador de señal sea totalmente imprescindible. Además, la linealidad en algunos tipos es pobre, aunque el hecho de ser predecible y repetible, lo que permite que puedan ser compensados analógicamente y/o digitante.
Fig. 3.5 Gráfica de resultados de termopares.
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3.2.3 Acondicionadores de señal para termopares. AD595 Circuitos integrados acondicionadores de señal para termopares, como el AD595, mostrado en la figura 3.6, para termopares tipo K que tienen un amplificador de instrumentación y un compensador lineal, una salida de alarma de rotura o desconexión del termopar, se alimenta a +5V y suministra una salida de 10mV/ºC.
Fig. 3.6 Acondicionador de señal de un termopar.
3.3 SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (SAD) En el desarrollo de la electrónica el proceso de automatización el microprocesador y el microcontrolador juegan un papel de suma importancia. Ellos han permitido el desarrollo de sistemas inteligentes que resuelven los más diversos problemas, son los llamados sistemas de adquisición de datos. El objetivo básico de los "Sistemas de Adquisición de Datos"(SAD) es la integración de los diferentes recursos que lo integran : Traductores de diferentes tipos y naturaleza, multiplexores, amplificadores, sample and hold, conversores A/D y D/A, además el uso del microcontrolador 8051 como CPU del SAD diseñado, utilizando de este microcontrolador todas sus prestaciones: interrupciones, temporizadores, comunicación serie así como hacer uso de memorias y puertos externos y creando con todo ello un sistema que se encargue de una aplicación específica como es chequear una variables
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(pH, humedad relativa, temperatura, iluminación, concentración, etc ) para una posterior utilización de la misma ya sea con fines docentes, científicos, de almacenamiento o control y utilización de la misma. Un SAD no es mas que un equipo electrónico cuya función es el control o simplemente el registro de una o varias variables de un proceso cualquiera, de forma general puede estar compuesto por los siguientes elementos: 1. Sensores. 2. Amplificadores operacionales. 3. Amplificadores de instrumentación. 4. Aisladores. 5. Multiplexores analógicos. 6. Multiplexores digitales. 7. Circuitos Sample and Hold. 8. Conversores A-D. 9. Conversores D-A. 10. Microprocesadores. 11. Contadores. 12. Filtros. 13. Comparadores. 14. Fuentes de potencia. El SAD debe tener una estructura y organización muy equilibrada que le permita su buen funcionamiento de ello depende de que el mismo rinda al máximo y sin ningún defecto.
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Conversor analógico digital A/D La resolución se define de dos maneras: Primero se define el número máximo de bits de salida (la salida digital). Este dato permite determinar el número máximo de combinaciones en la salida digital. Este número máximo está dado por: 2n donde n es el número de bits. También la resolución se entiende como el voltaje necesario (señal analógica) para lograr que en la salida (señal digital) haya un cambio del bit menos significativo (LSB). Para hallar la resolución se utiliza la siguiente fórmula: Resolución = VoFS / [ 2n - 1] Donde: - n = número de bits del ADC -
VoFS = es el voltaje que hay que poner a la entrada del convertidor para obtener una conversión máxima (todas las salidas son "1")
Dispositivo electrónico que convierte una señal eléctrica continua (generalmente voltaje) en un código digital equivalente.
Fig.3.7 Esquema general del A/D.
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Lógica de control: Los terminales de la lógica de control de conversor A/D generalmente determinan e inician el estado de las operaciones que el mismo realiza, entre estos terminales tenemos: Inicio de conversión, fin de conversión, chip select, chip enable, wr, rd, señales para la selección de varios canales, etc. Lógica de funcionamiento: Mediante estos terminales podemos establecer el tipo de codificación que el conversor realizará (unipolar o bipolar), las referencias de voltaje que utiliza, el rango de voltaje de entrada, ajuste de off set, etc. Existen fundamentalmente dos métodos de codificación bipolar y unipolar, estos métodos establecen la relación existente entre el código de salida y el voltaje de entrada al conversor. Modo unipolar: Se utiliza para señales de una sola polaridad + o -. Modo bipolar: Este tipo de conversión se recomienda cuando se estén monitorizando señales bipolares o sea con polaridad + y -. Resolución: Nivel de voltaje que es capaz de discriminar un conversor A/D. O sea el nivel de voltaje para el cual el conversor cambia en un bit menos significativo. La resolución (R) depende del voltaje a plena escala y del número de bits del conversor. R = FSR/n Para
8
bits
y
un
FSR
de
10
Volts
R
=
38.5mVolts
Para 12 bits y un FSR de 10 Volts R = 2.44 mVolts Si aumenta el número de bits aumenta la efectividad del conversor, la exactitud del sistema.
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3.5 MICROCONTROLADORES Los microcontroladores están presentes en muchos de los productos electrónicos que empleamos en nuestra vida cotidiana. Su enseñanza es un reto debido a la variedad de modelos existentes en el mercado y a la gran cantidad de aplicaciones posibles. Sin embargo, a pesar de su diversidad, hay unidad en los principios de funcionamiento y las arquitecturas de muchos microcontroladores. Los 'PIC' son un tipo de microcontroladores tipo RISC (Computadora con Conjunto de Instrucciones Reducido), en realidad, el nombre completo es PIC micro, aunque generalmente se utiliza como controlador de interfaz periférico. Un PICmicro es un circuito integrado programable. Programable Integrated Circuit. Programable quiere decir que se puede planificar la manera como va a funcionar, que se puede adaptar a nuestras necesidades. En otras palabras que el integrado es capaz de modificar su comportamiento en función de una serie de instrucciones que es posible comunicarle. Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de un ordenador: CPU, memoria y unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado. Aunque sus prestaciones son limitadas, además de dicha integración, su característica principal es su alto nivel de especialización. Aunque los hay del tamaño de un sello de correos, lo normal es que sean incluso más pequeños, ya que, lógicamente, forman parte del dispositivo que controlan. Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de ordenadores, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSPs (procesador de señales digitales) más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa, usted tiene probablemente distribuido 21
entre los eletrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo eléctrico como automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, etc. Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en un ordenador en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Por ejemplo, un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de memoria RAM y ROM/EPROM/EEPROM, significando que para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita son unos pocos programas de control y un cristal de sincronización. Los microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico a digital, temporizadores, UARTs (receptor transmisor, sin cronos y asíncronos) y buses de interfaz serie especializados, como I2C y CAN. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores especializados. Los modernos microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el BASIC que se utiliza bastante con este propósito.
PICs más comúnmente usados •
PIC12C508/509 (encapsulamiento reducido de 8 pines, oscilador interno, popular en pequeños diseños como el iPod remote)
•
PIC16F84 (considerado obsoleto, pero imposible de descartar y muy popular)
•
PIC16F84A (buena actualización del anterior, algunas versiones funcionan a 20 MHz, compatible 1:1)
•
PIC12F629/675
•
PIC16F628
22
•
La familia PIC16F87X (los hermanos mayores del PIC16F84, con cantidad de mejoras incluidas en hardware. Bastante común en proyectos de aficionados)
•
PIC18F452
Programación del PIC Para transferir el código de un ordenador al PIC normalmente se usa un dispositivo llamado programador. La mayoría de PICs hoy en día incorporan ICSP (programación serie incorporada) o LVP (programación a bajo voltaje), lo que permite programar el PIC directamente en el circuito destino. Toda esta actividad: “Programar un PIC”, se puede dividir en cuatro pasos: EDITAR COMPILAR QUEMAR EL PIC PROBAR EL PROGRAMA
•
Editar
Editar es escribir el programa, es hacer una lista de instrucciones en un lenguaje que nos permita indicarle al PIC lo que deseamos que haga. Existen varios lenguajes como: Ensamblador, Basic, C, etc. Todos ellos pretenden acercarse a nuestra manera de pensar y de hablar. Sin embargo los PIC no conocen más que unos y ceros. Por eso es necesario el siguiente paso.
•
Compilar
Compilar es traducir el programa al lenguaje de máquina que ¡Si! “entiende” el PIC. Para realizar esta traducción hacemos uso de un software que transforma el “Programa Fuente”, aquel que editamos en el paso 1 en otro que si podemos comunicarle al PIC.
23
•
Quemar el PIC
En este paso se graba el programa en el PIC. Mediante una tarjeta electrónica y un poco software se pasa el programa compilado de la PC al PIC. Son solamente unos cuantos Cliks y listo. Es necesario hacer una aclaración en este momento. Frecuentemente le llamamos Programador de PIC a la tarjeta electrónica que transfiere el programa compilado de la PC al PIC. Está bien mientras entendamos que este aparato no va ha pensar por nosotros y que es incapaz de programar instrucciones por sí mismo.
•
Probar el programa
En este paso se trata de verificar el funcionamiento del programa. Se trata de comprobar que el PIC se comporta como lo programamos. Se prueba si funciona bien y si no comenzamos de nuevo en Editar Para realizar esta actividad podemos hacer uso de un Protoboard, alambrar los Led´s o botones, instalar la fuente, poner el reloj, etc. etc. Pero como no se trata de aprender a armar circuitos en Protos sino de aprender a programar Pics es mejor hacer uso de una tarjeta “Proyecto” que ya tenga todo esto y esté lista para ser usada.
Fig.3.8 Cuatro pasos para programar un PIC.
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Microcontroladores Flash Los microcontroladores que ofrecen una mayor flexibilidad para la programación y una enorme facilidad para el ajuste final de los proyectos son los que cuentan con memoria eléctricamente borrable Flash. Para el principiante son también la mejor elección, ya que permite grabar y regrabar el integrado muchas veces. A continuación se enlistan los Picmicro mejor conocidos por su memoria Flash. •
PIC16F629
•
PIC16F675
•
PIC16F627
•
PIC16F628
•
PIC16F72, PIC16F73, PIC16F74
•
PIC16F83, PIC16F84, PIC16F84A
•
PIC16F871, PIC16F872, PIC16F873, PIC16F873A
•
PIC16F874, PIC16F874A, PIC16F876, PIC16F876A
•
PIC16F877, PIC16F877A
•
PIC18F242, PIC18F248
El PIC con memoria flash más popular es el PIC16F84. Cuenta con una memoria de programación serial de 1024 instrucciones y 64 localidades de memoria RAM. La memoria de programación es eléctricamente borrable.
3.6 COMUNICACIÓN DE PUERTO SERIAL La comunicación serial transmite datos entre un computador y un dispositivo periférico. La comunicación serial usa un transmisor para enviar batos a un receptor un bit a la vez sobre una línea de comunicación. Se usa cunando las velocidades de transferencias son bajas o deban transferir datos sobre distancias largas. La mayoría de los computadores poseen uno o dos puertos seriales, por lo que no requiere ningún hardware extra.
25
Se debe especificar cuatro parámetros para una comunicación serial: •
La velocidad en baudios de la transmisión.
•
El numero de bits de datos que codifican un carácter.
•
El sentido de un bit opcional de paridad.
•
El numero de bits de parada.
La velocidad en Baudios mide que tan rápido se mueven los datos entre los instrumentos que utilizan la comunicación serial. Se puede calcular la máxima velocidad de transmisión en caracteres por segundo para una configuración de comunicación dada dividiendo la velocidad en baudios por los bits marco de carácter. Por ejemplo: 11 Bits por marco de carácter. 9600 baudios velocidad de transmisión. Se obtiene 9600/11=872 caracteres por segundo. Los Bits de datos son trasmitidos a la inversa y hacia atrás, se usa lógica inversa y el orden
de la transmisión es del bit menos significativo (LSB) hacia el bit más
significativo (MSB). Para interpretar los bits de datos en un marco de carácter, se leen de derecha a izquierda y leer 1 para voltaje negativo y 0 para voltaje positivo. Un bit opcional de paridad sigue a los datos en el marco de carácter. Este bit se incluye como una forma de verificación de error. Si se selecciona que la paridad sea impar, el bit de paridad se fija de tal forma que el número de 1s sumen hasta completar un número impar en al cantidad de bits de datos incluyendo el bit de paridad. La última parte del marco de carácter consiste de 1,1.5 o 2 bits de parada que siempre están representados por un voltaje negativo. Si no se van a transmitir más caracteres, la línea permanece negativa (MARK). 26
3.7 LabVIEW LabVIEW es una herramienta gráfica de test, control y diseño mediante la programación. El lenguaje que usa se llama lenguaje G. Los ingenieros y los científicos utilizan los instrumentos nacionales LabVIEW, un ambiente gráfico de gran alcance del desarrollo, para la adquisición de la señal, el análisis de la medida, y la presentación de los datos. LabVIEW también te proporciona la flexibilidad de un lenguaje de programación sin la complejidad de las herramientas de desarrollo tradicionales. Su principal característica es la facilidad de uso, personas con pocos conocimientos en programación pueden hacer programas relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer con lenguajes tradicionales. También es muy rápido hacer programas con LabVIEW y cualquier programador, por experimentado que sea, puede beneficiarse de él. Incluso con LabVIEW pueden crearse programas de miles de VIs (páginas de código) para aplicaciones complejas, programas de automatizaciones de decenas de miles de puntos de entradas/salidas, etc. Incluso existen buenas prácticas de programación para optimizar el rendimiento y la calidad de la programación. Principales usos
Es usado principalmente por ingenieros y científicos para tareas como: •
Adquisición de datos
•
Control de instrumentos
•
Automatización industrial o PAC (Controlador de Automatización Programable)
•
Diseño de control: prototipo rápido y hardware en el bucle (HIL)
27
CAPÍTULO IV DESARROLLO DEL PROYECTO
28
4.1 DESCRIPCIÓN Y CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. En el cronograma se colocaron unas equis(X) que simbolizan la semana asignada en la etapa y en el mes a realizar dicha actividad. Num.
Septiembre Octubre
Etapa 1
X X
Etapa 2
Noviembre Diciembre
X X
Etapa 3
X X
Etapa 4
X X
Etapa 5
X X
Etapa 6
X X
Etapa 7
X
Etapa 8 De acuerdo con el cronograma las actividades fueron divididas por etapas a las cuales se las asignaron unos tiempos para poder alcanzar el termino del proyecto en el tiempo estimado Las actividades y tiempos a considerar de cada etapa son:
1 Etapa: Revisión bibliográfica. Revisión bibliográfica de las diferentes formas de medir temperatura. Revisión bibliográfica de acondicionadores de señal para sensores de temperatura. Revisión bibliográfica de hornos solares. Revisión bibliografía de LabView. Tiempo que se consideró: 10 días.
29
2 Etapa: Pruebas de funcionamiento de un horno solar Horno solar Medición de temperatura en un horno solar en un día Especificaciones de un horno solar Tiempo que se consideró: 10 días.
3 Etapa: Determinar el sensor de temperatura adecuado Resumen de sensores. Especificaciones a cumplir. Dónde se compra. Cómo se compra. Costo. Tiempo que se consideró: 10 días.
4 Etapa: Desarrollo de acondicionadores de señal para el sensor de temperatura Búsqueda de circuitos para sensor de temperatura Determinar el circuito a utilizar Construir el circuito Prueba del circuito Tiempo que se consideró: 10 días.
5 Etapa: Sistema de adquisición de datos (SAD) para temperatura utilizando un PIC Construcción del SAD Prueba del SAD Programas de prueba del SAD para PC Tiempo que se consideró: 10 días.
6 Etapa: Desarrollo de programa para adquirir, graficar y salvar la temperatura del horno solar Desarrollo de subrutina para adquisición de temperatura por medio del SAD Desarrollo de subrutina para graficar por pantalla de PC las temperaturas medidas en el tiempo 30
Desarrollo de subrutina para salvar las temperaturas medidas en el tiempo Unir los programas para obtener un programa principal para medición de temperaturas Tiempo que se consideró: 10 días.
7 Etapa: Montaje adecuado del sistema medidor de temperatura para un horno solar. Diseño de armazón Construcción del armazón Montaje de los circuitos Detalles de presentación final Tiempo que se consideró: 10 días.
8 Etapa: Reporte final del trabajo Tiempo que se consideró: 5 días.
4.2 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN HORNO SOLAR Se tomó un horno solar y se midió su temperatura durante el transcurso de unos días. El horno solar que se utilizó es un concentrador multicompuesto que consiste en cuatro pares de espejos: 1 par de espejos cilíndrico parabólicos homofocales; 1 par de espejos planos; 1 par de espejos del tipo CPC (Concentradores del tipo Parabólico Compuesto).
Características físicas de un horno solar: Tubo protector de cobre. Aislante térmico. Parábolas que actúan como paredes del horno, hechas de madera. Espejos superiores, de lámina de acero inoxidable acabado espejo. Espejos sostenidos por el poliuretano. Contenedor de alimentos, hecho de lámina de acero inoxidable. Tapa de seguridad y presión, hecha de nylamaid.
31
Primera medición: Día parcialmente soleado con viento y nubosidad constante. Temperatura inicial: 23ºC
Tiempo
Temperatura
(min.)
(ºC)
0
23
50
5
27
45
10
34
40
15
37
20
42
25
46
30
48
35
50
Temperatura máxima: 50ºC B
) C º (
A R U T A R E P M E T
35
30
25
20 0
5
10
15
20
25
30
35
40
TIEMPO ( Minutos )
Fig.4.1 Tabla y grafica de 1ª medición del horno.
Tiempo
Temperatura
(min.)
(ºC)
Día despejado con poco viento.
0
28
Temperatura inicial: 28ºC
5
33
Temperatura máxima: 100ºC
10
42
15
50
20
58
25
66
A R 70 U T A 60 R E P 50 M E T 40
30
73
35
80
40
88
30
45
93
50
100
Segunda medición
110 100 90 ) c 80 º (
20 0
10
20
30
40
50
TIEMPO (Minutos)
Fig.4.2 Tabla y grafica de 2ª medición del horno. 32
Tiempo (min.)
Tercera medición
Temperatura (ºC)
Día despejado con mucho viento sin nubosidad
0
23
Temperatura inicial: 23ºC
2
26
4
28
6
31
8
35
10
39
12
42
14
46
16
50
18
54
20
58
22
60
24
62
26
65
28
68
30
70
32
72
34
73
36
74
38
75
40
75
42
74
44
75
46
77
48
78
50
80
52
81
54
81
56
81
58
80
60
81
Temperatura máxima: 81ºC 90 80
) C º (
70
A 60 R U T 50 A R E P 40 M E T 30
20 0
10
20
30
40
50
60
TIEMPO (Minutos)
Fig.4.3 Tabla y gráfica de 3ª medición del horno.
33
Cuarta medición Día parcialmente despejado, con viento y poca nubosidad Temperatura inicial: 22ºC Temperatura máxima: 51ºC
Tiempo
Temperatura
55
(min.)
(ºC)
50
0
22
3
25
6
28
9
33
12
39
15
45
18
51
45 ) C º ( 40 A R U T 35 A R E P 30 M E T 25 20 -2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
TIEMPO (Minutos)
Fig.4.4 Tabla y grafica de 4ª medición del horno. NOTA Las medidas realizadas al horno fueron con un termómetro de mercurio y se registraron a mano.
Especificaciones de un horno solar para medir su temperatura.
Fig. 4.1 Horno solar en funcionamiento.
34
El horno que se utilizó para medir cuenta con un contenedor en el cual se introducen los alimentos a ser cocinados, ya que fue diseñado para que la temperatura se concentre en ese punto, por lo que es el lugar ideal para llevar a cabo las mediciones. De acuerdo a las mediciones anteriores se determinó que la temperatura máxima a medir es de 100ºC. Aunque la temperatura que se está registrando no es la que al principio se esta exigiendo, se considerara tomar la temperatura máxima, que de acuerdo con la teoría puede llegar a ser de 200ºC. Los puntos críticos para posicionar los sensores corresponden a la parte interior del contenedor donde se vierten los alimentos que es de forma cilíndrica. Para esto se requiere que los sensores estén separados por cada 10cm de profundidad del cilindro.
4.3 DISEÑO DE MEDIDOR DE TEMPERATURA De acuerdo a lo indicado por la literatura (tema 3.2 pagina 12) se realizó el diseño específico de un medidor de temperatura. Para el diseño de un medidor de temperatura se realizó un tipo de diagrama de bloques que en este se muestra lo que se necesita para este tipo de diseño (Fig. 4.5).
Señal física (Temperatura)
Desplegado
Sensor de temperatura
Procesado
Acondicionamiento para sensores de temperatura
Adquisición
Fig. 4.5 Esquema de diseño de medidor de temperatura. De acuerdo al esquema en la etapa de la señal física a medir es la temperatura, la cual al ser determinada se pasó a la siguiente etapa que se estableció que tipo de sensor de
35
temperatura se necesitó para tener la señal sensada, al obtener la señal en la etapa siguiente esta se tendrá que aumentar en un acondicionamiento para sensores de
temperatura porque la señal es muy pequeña, al tener el aumento se podrá pasar a la adquisición en la que se transformó la señal eléctrica en digital, para poder ser calculada o manejada en al etapa de procesado y así poder ser vista de manera digital en la fase final de desplegado.
4.3.1 Diseño de un medidor de temperatura para un horno solar usando una PC Para este proyecto se necesita diseñar y construir un medidor de temperatura para un horno solar. Con base en un esquema de bloques se hizo el diseño de este medidor de temperatura. Lo cual consistió en proponer una serie de bloques de los cuales se desplegaron y realizaron unas tareas específicas. En la Fig. 4.6 se muestra el esquema de bloques en el se basará el diseño del medidor de temperatura.
Temperatura
Sensor (Termopar)
PC Programación: ▬ Procesamiento ▬ Visualización
Acondicionamiento para termopares
SAD (adquisición de datos)
Fig. 4.6 Esquema de bloques del diseño del medidor de temperatura para un horno solar utilizando una PC.
36
4.4 DISEÑO DE LOS BLOQUES DEL MEDIDOR DE TEMPERATURA La metodología a seguir para diseñar y construir el medidor de temperatura fue proponiendo diferentes bloques o funciones que realizan diferentes tareas.
4.4.1 Bloque sensor temperatura Existen varios tipos de sensores de temperatura, los termopares, resistivos, semiconductores etc. Pero de acuerdo a la temperatura la que se desea llegar lo más adecuado para este caso es usar el termopar, también existen varios tipos de termopares que son el tipo J, K, R, S, T etc. De acuerdo con la diferencia de la temperatura en la que mide cada uno de ellos, el más adecuado es el termopar topo K por que nos permite medir arriba de los 400ºC deseados.
4.4.2 Sensor de temperatura adecuado. En la variedad de termopares existen varios que son los tipos B,C,E,J,K,R,S y T, estos tipos diferentes de termopares son para distintas capacidades de temperaturas. El sensor que se utilizó es el termopar tipo K (cromel-alumel) por que con la calibración adecuada alcanzó libremente la temperatura de 400 ºC, el termopar es adecuado por su flexibilidad para poder utilizar en una distancia de dos metros. La compra del termopar pude ser en varios lugares o diferentes distribuidores que pueden ser Calor y control, Watlow o en la ciudad de México. Estos distribuidores pueden tener termopares de varios tipos e incluso con aditamentos que pueden ayudar para su instalación, como por ejemplo: Termopar estándar, bulbo recto, 45º, 90º. Termopar con bayoneta, bulbo recto, 45º, 90º. Protegido con tubo flexible. 37
Termopar de ojo. Termopar bulbo con cabezal y rosca a proceso NPT. Termopar bulbo y conector macho STD. Termopar con abrazadera. Los termopares más comunes son los que venden por tramos y solo tienen su aislamiento dependiendo de la temperatura que van a ser utilizados, para el proyecto se investigaron los siguientes termopares:
Termopar tipo K Código RS 219-4309 Cantidad Precio 1+ 8,55 € 15+ 7,43 € 25+ 6,94 €
Cantidad 1+ 6+ 12+
Código RS 219-4315 Cantidad Precio 1+ 15,59 € 6+ 13,51 € 12+ 12,66 €
Precio 52,11 € 46,48 € 44,16 €
Cantidad 5+ 30+ 60+
Código RS 219-4551 Precio por: 1 bobina de 25 m
Precio 4,16 € 3,63 € 3,48 €
Código RS 219-4573 Precio por: 1 bobina de 100 m
Fig.4.7 Termopares que se pueden utilizar. De acuerdo con las especificaciones del cliente y por la distancia en la que se medirá, que es de 2m del horno, el termopar que se utilizó es el de código RS 219-4309, el cual está formado de dos cables de cromel y alumel con la protección requerida y es necesario soldarlos por arco eléctrico en un extremo para formar el termopar.
38
De acuerdo con la Fig.4.8, la distancia de la computadora al horno es de 2m, la distancia del termopar al entrar en el tubo es de 53cm de largo y la profundidad que se requiere es de 10cm cada uno; el primero se colocó a 23cm al inicio del tubo y por consiguiente le seguirán los tres cada 10cm mas profundos
Fig. 4.8 Distancia desde el termopar de alambre tipo K a la computadora. Después de haber elegido el sensor adecuado para las mediciones del horno, se determinó el tipo de amplificador a utilizar para aumentar la señal de milivolts producida por los termopares, ya que su respuesta es de bajo voltaje para ser capturado como dato, por lo que se utilizó un circuito integrado (AD595) para poder elevar el voltaje del termopar (tipo K) y poder adquirir los datos necesarios desde el equipo de computo.
4.4.3 Bloque acondicionador de señal Existen diferentes acondicionadores para sensores de temperatura pero como se va a utilizar un termopar tipo K se recomienda el AD595 por que tiene más precisión en las mediciones. En la Fig. 4.9 se muestra el circuito del AD595 adecuado para el termopar tipo k.
39
Fig. 4.9 Diagrama de conexión del AD595 con un termopar tipo K. En la fig. 4.9 se muestran las conexiones que a continuación se mencionarán. Es conveniente suministrar un voltaje de +5V en el pin 11 para que pueda ser usado. Los pines 7, 4 y 13 se conectan común del voltaje de alimentación (-). El termopar se conecta a los pines 1 y 14 cualquiera de los dos directo desde el sistema el punto o por intervenir conexión para similar termopar tipo K. Cuando la señal se produce en el pin 13 se debe de conectar a común o –V. La precalibración la realimentación de línea en el pin 8 es unir en el que produce en la pin 9 a proveer cada 10 mV/ºC característica de transferir una temperatura nominal.
Descripción del circuito ad595 En la fig.4.10 se muestra el diagrama del integrado del termopar de AD594/AD595 el acondicionador señalado IC. Un Tipo J (para el AD594) o tipo K (para el AD595) el termopar se conecta a los pines 1 y 14, las entradas a un amplificador diferencial de fase.
Fig.4.10 Diagrama funcional del AD594/AD595 40
En esta tabla se muestra la temperatura en la que el termopar se expone (en tipo J y K), y la respuesta que presenta en mVolts y a la que produce el AD594/AD595 también en mVolts pero con un aumento que permite tomar la salida como una respuesta proporcional a la temperatura.
41
Práctica del circuito AD595 con el termopar •
Se realizó la conexión del circuito del termopar tipo K (AD595).
•
Se le suministró el voltaje necesario con una fuente de 5V, en las líneas 7 y 11.
Fig.4.11 Circuito de conexión del AD595 con el termopar.
•
Teniendo ya suministrado el voltaje, se comprobó la salida que se tiene en las líneas unidas de 8 y 9. - Para esto se utilizó un osciloscopio, el cual midió el voltaje al que puede llegar el circuito.
•
Se tomaron los resultados de acuerdo a la salida que se obtuvo al estimular el termopar. -Para poder tener una referencia de estos resultados se compararon con un termopar digital, que nos mostró la diferencia de las estimulaciones a las que se sometieron.
Respuesta de la práctica:
•
Al suministrarle el voltaje se midió con el osciloscopio la salida por las líneas unidas 8 y 9, la cual no se podía apreciar fácilmente, la primera lectura de salida,
42
que media la temperatura del ambiente, sólo se dio cuando se le estimuló al termopar. •
Para tener una mejor apreciación de las medidas, se utilizó el multímetro para observar la reacción, la cual al comparar con un termopar digital las medidas variaron. Mientras que el termopar digital al estimularlo con un fósforo superó los 500ºC, el termopar del circuito sólo llegó a los 360ºC.
•
Se llegó a la conclusión que la razón de estas variaciones fue debido a que el termopar que se utilizó en el circuito es muy robusto y disipaba mucho calor al ambiente, por lo que es necesario un termopar más delgado (sensible).
4.4.4 Bloque sistema de adquisición Para el SAD existen diferentes maneras de adquirir datos, esto puede ser por medio de esta los DAC (conversor digital analógico), los microcontroladores (los PIC) y otros, pero en este caso por la facilidad se construirá un SAD utilizando un PIC. Por lo tanto y por las facilidades que presenta, utilizaremos el PIC 16F877, posee varias características que hacen a este PIC sea eficiente y práctico para ser empleado en este tipo de aplicación. Soporta modo de comunicación serial, amplia memoria para datos y programa, memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH; este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente, Set de instrucciones reducidas (tipo RISC), pero con las instrucciones necesarias para facilitar su manejo. En la fig. 4.12. se muestran la imagen y el diagrama eléctrico del SAD utilizado. El SAD que se construyó consta de: -
Fuente de 5vlts: que cuenta con un regulador 7805A y alimenta al microcontrolador y a los acondicionadores de señal.
-
AD595, como acondicionador de la señal para obtener un voltaje proporcional al valor de temperatura. El voltaje de salida de este circuito se conecta a las entradas analógicas del microcontrolador.
43
-
PIC16F877, es un microcontrolador de propósito general del cual utilizó 4 entradas analógicas para ser convertidas a señal digital. Se utilizó el puerto serie del microcontrolador para comunicarse con la PC
-
MAX232, dispositivo convertidor de señales eléctricas de puerto serie RS232 a TTL. Este dispositivo es la interfase entre el microcontrolador y la computadora.
-
Como la alimentación del acondicionador de señal es necesaria que sea de 5vlts, se construyó una fuente que generó ese voltaje, y que también funcionó para la alimentación del microcontrolador.
Fig.4.12 Diagrama e imagen del SAD 44
Armado de la fuente de 5vlts En esta práctica se realizó el armado de una fuente de 5Vlts regulable con su trasformador de 9Vlts.
Material: 1-Regulador 7805 A 1-Puente de diodos 2-Capacitores de 10 pf 2-Capacitores de 1000mf -25v 1-LED 1-Resistencia de 470 ohms 1-Transformador de 9vlts 1-Clavija Muntimetro Cautín Soldadura Placa de fenólica perforada. La salida que ésta generó fue un poco menor al medir con el multímetro, fue 4.96V, con una entrada de 8.8V. Aunque la salida de voltaje fue menor, es suficiente para la alimentación y el manejo del AD595 con el termopar por que la temperatura se medirá es de 400ºC por lo que la salida es directamente proporcional a la temperatura por el termopar tipo K.
Fig. 4.13 Diagrama de la fuente de 5Vlts. 45
Diagrama del funcionamiento del SAD Inicio Configuración
No
In S Si
Ir a la subrutina de interferencia
Si
Dm= 0
Adquirir señal del canal 0
Convierte el dato binario a dato decimal de 3 dígitos
Escribe el dato decimal de 3 dígitos por el puerto serie
No Si
Dm= 1
Adquirir señal del canal 1
No SI
Dm= 22 Dm=
Adquirir señal del canal 2
No Si
Dm= 33 Dm=
Adquirir señal del canal 3
No
Con este diagrama se puede explicar el funcionamiento general del SAD, al iniciar esta función se pasa a la configuración del PIC 16F877; la configuración del PIC fue con las siguientes características: com1, baud rate=2400, data bits=8, stop bits=1.0, flor 46
control=non, parity=non, teniendo la configuración el sistema responde por una interferencia serie, la cual inmediatamente pasa la subrutina de interferencia, después de esto si se ha elegido alguno de los canales cumpliendo las condiciones del mismo se adquiere la señal del canal requerido, la cual es un dato binario que es convertido en un decimal de tres dígitos, e inmediatamente es escrito en el puerto serie y el ciclo se repite al tener otra interferencia.
Diagrama del programa. Inicio
Por medio de este diagrama se realizó el programa que nos permite adquirir un
Confi uración
dato por puerto serie y graficarlo en la
I= 0
pantalla. Al inicio de este programa de
Escribe I en puerto serie
acuerdo con el diagrama este tiene que contar con la configuración del pueto
IRPS
serie. El programa pide el canal 0, para poder
Leer el re istro uerto serie
escribir el canal en el puerto serie, y pasa
Convertir decimal en volta e
la interrupción de respuesta puerto serie Guardar voltaje en memoria
(IRPS), al tener la respuesta del puerto
Graficar el volta e
serie el programa lo lee y convierte el
Inc I
decimal en voltaje el cual es guardado en la memoria para ser graficado y repite el proceso asta completar las cuatro lecturas
I>4 Can>4
y graficarlas. En la Fig.4.14 se muestra como es que queda el programa.
Stop Sto
Salvar memoria
Retardo
Contador
Fin 47
Fig. 4.14 Programa para el graficado las temperaturas tomadas.
4.5 PRUEBAS DEL CIRCUITO Y LOS TERMOPARES La temperatura ambiente que se midió con un termopar digital, tomada como la temperatura real es de 22Cº, la temperatura corporal fue de 27Cº.
A 54
Prueba del canal 0 con el termopar corto
52 50 48 46
La temperatura ambiente fue entre 16 a 18Cº.
e l t i T 44 s i x 42 A Y
En temperatura corporal fue de 23 a 25Cº
40 38 36 34 0
200
400
600
800
X Axis Title
48
Prueba del canal 1con el termopar corto A 60
Temperatura ambiente se registró entre los 19 y
55
21Cº.
50
e l t i T s i 45 x A Y
En temperatura corporal al contacto con los dedos aumentó entre los 31 y 28Cº
40
35
0
200
400
600
800
1000
1200
X Axis Title
A
100
Prueba del canal 0 con el termopar robusto
90
80
e l t i 70 T s i x A 60 Y
Temperatura ambiente entre los 20 a 25Cº. Temperatura corporal entre los 28 a 46Cº.
50
Con este termopar como se pude apreciar en la
40
30 0
200
400
600
800
1000
1200
gráfica las variaciones son muy constantes y en
X Axis Title
temperatura corporal se disparan las cifras.
Prueba de termopar largo, delgado y de buena A 60
calidad
50
La temperatura ambiente fue de 22Cº.
40
En temperatura corporal aumentó entre los 25Cº
e l t 30 i T s i x A 20 Y
Aun que muestra variaciones constantes no son
10
0
0
100
200
300
X Axis Title
400
500
muy agresivas los resultados se mantiene en un rango real.
49
Prueba de termopar largo y de mala calidad A 180
La respuesta fue de 40 y 45Cº en temperatura
160 140
ambiente.
120 100
e l t i T 80 s i x A 60 Y
En temperatura corporal desminuyó entre los 30 y 32Cº.
40 20 0 -20 0
200
400
600
800
1000
X Axis Title
La respuesta que este termopar mostró fue muy deficiente como se muestra en la gráfica, la razón de esto es que el cable de cobre mostraba mucha oxidación por lo que no podía medir la temperatura real y era muy inestable.
4.5.1 Pruebas del funcionamiento de los canales La temperatura ambiente real fue entre los 15 y 16Cº tomada con un termopar digital, la temperatura corporal fue entre los 19 y 20Cº.
Canal 0 AQ A 50
En esta lectura los resultados fueron en
40
temperatura ambiente entre 13 y 14Cº, en
30
e l t i T s i 20 x A Y
temperatura corporal fue entre 21 y 20Cº.
10
0
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
X Axis Title
50
Canal 1 A 60
Temperatura ambiente entre 15 y 16Cº
50
Temperatura corporal entre 23 y 22Cº
40
e l t i 30 T s i x A 20 Y
10
0
0
200
400
600
800
1000
X Axis Title
Canal 2 A 50
Temperatura ambiente entre 15 y 16Cº 40
Temperatura corporal entre 21 y 20Cº 30
e l t i T s i 20 x A Y 10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
X Axis Title
Canal 0 CQ A
40
Temperatura ambiente entre 13 y 14Cº 30
Temperatura corporal entre 20 y 19Cº
e l t i T 20 s i x A Y 10
0
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
X Axis Title
51
4.5.2 Pruebas finales del circuito con el programa Los resultados que se presentaron en las pruebas finales son las que se muestran en la Fig 4.15, estos resultados fueron buenos porque no hubo mucha diferencia entre los resultados de los tres termopares, una de las diferencias que se muestran en la gráfica del canal 0 es porque tiene un termopar por lo que se consideró de mala calidad. Y otra diferencia que se puede observar es que la gráfica con menos variaciones es del canal 1 la razón de esto es porque se utilizó el acondicionador AD595 CQ que es de mejor precisión que los demás que son de AD595 AQ
Fig. 4.15 Graficas de prueba final de los canales 0, 1 y 2.
52
ANÁLISIS DE RESULTADOS
•
Se determinó el tipo de sensor adecuado para un horno solar, el cual fue el termopar tipo K RS219-4309 que permitió llegar libremente a la temperatura de 400ºC que es lo que el cliente pidió.
•
Se determinó que el mejor lugar para colocar los sensores era dentro del tubo donde se tiene la contenedor de los alimentos con una distancia de 10cm de profundidad uno del otro siendo la cantidad total es de 10m.
•
Debido a que la señal del termopar era muy débil se tuvo que construir un acondicionador de señal para amplificarla, para lo cual se utilizó un AD595.
•
Se construyó un SAD para la obtención de datos de los cuatro puntos a medir, para el cual se utilizó un PIC 16F877 y para la interfase con la PC se utilizó el MAX232.
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Se diseñó un programa específico para la PC con la función de adquirir y graficar las cuatro puntos de temperatura con la ayuda de una herramienta gráfica de programación llamada LabVIEW.
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Finalmente se acondicionó el circuito en una caja protectora para su presentación.
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CONCLUSIONES Se concluyó satisfactoriamente con el proyecto con los parámetros requeridos por el cliente, por el uso que muestra, el dispositivo se puede aplicar en algún otro horno que se requiera medir la temperatura. A pesar de mi falta de experiencia en electrónica se logro la construcción de un medidor de temperatura de cuatro canales. Desde el punto de vista de Mantenimiento lo mas importante de este proyecto es el conocimiento general de Sistema Medidor de Temperatura: que son, como están formados, que tienen y como funcionan. Y el uso del la herramienta LabVIEW para programación.
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Bibliografía
Hector A. Navarro D (1995). Instrumentación
Electrónica Moderna.
Editorial Innovación Tecnológica – Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela William D. Cooper y Albert D. Helfrick (1991). Electrónica Moderna. Editorial
Realizado por: Irlenys Tersek Rodríguez
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Prentice Hall.
Instrumentación
