1  Faculta de Ingeniería - Departamento de Ingeniería Electrónica - Universidad del Valle de Guatemala

Proyecto No. 1 SENSOR DE TEMPERATURA RTD

(Septiembre 2013) Josué Daniel Cabrera Loaiza Carné #10018, Luisa Mercedes Portillo Díaz Carné #10031, Ingeniería

Mecatrónica, UVG

Abstract – The Project main objective was to design and build a circuit that would emulate the operation of an RTD. Also, it had to show a current LCD temperature sensor using programming language C. The circuit is divided into different parts, taking into account the specifications that have the RTD sensor. We used transducer voltage to current and current to voltage to make the sensor reading correctly. It should calculate the current values theoretical and experimental, in the ranges of 0 ° C and 100 ° C, getting an error rate of 5.55% so we can conclude that the simulation of the PT100’s behavior in industry environment was successfully achived. Resumen – Este proyecto tenía como objetivo el diseño y construcción de un circuito que permitiera emular el funcionamiento de una RTD. Además, se tenía que mostrar en una LCD la temperatura actual del sensor, utilizando lenguaje de programación C. El circuito se dividió en distintas partes, tomando en cuenta las especificaciones que tiene el sensor RTD. Se utilizaron transductores de voltaje a corriente y de corriente a voltaje para tomar la lectura del sensor correctamente. Se debían de calcular los valores de corriente teóricos y experimentales, en los rangos de 0°C y 100°C, obteniéndose un porcentaje de error de: 5.55% con lo que podemos concluir que la simulación del comportamiento del PT100 fue realizada con éxito. Palabras Clave- Transductores, circuitos acondicionadores, RTD, Pt100, microcontrolador, LCD.

I. INTRODUCCIÓN Para este proyecto se debía de construir un circuito que permitiera emular el funcionamiento de una RTD, específicamente un Pt100, en un lazo de control industrial. Además, se debía de crear un código para que el sensor fuera controlado por un microcontrolador y que en una pantalla LCD se desplegara el valor de la temperatura que es leído por el Pt100.

Un Pt100 es un sensor de temperatura. Consiste básicamente de un alambre de platino que a 0°C tiene 100 ohms de resistencia y al aumentar su temperatura aumenta la resistencia eléctrica. El incremento de la resistencia no es lineal, pero sí es creciente y característico del platino, de tal forma que mediante tablas es posible encontrar la temperatura exacta a la que corresponde. Un Pt100 es un tipo particular de detector de temperatura resistivo (RTD), es decir, un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Las ventajas que tienen los RTD son: el margen de temperatura bastante amplio, proporciona las medidas de temperatura con mayor exactitud y repetitividad, tienen una mayor estabilidad con el tiempo, la relación entre la temperatura y la resistencia es la más lineal. Pero estos sensores también cuentan con inconvenientes como: su vida útil, ya que no son tan durables como los termopares ante las vibraciones o golpes; se ven afectados por el autocalentamiento, debido a su tamaña y masa se ven limitados en cuenta a su velocidad de reacción.

II. DISEÑO EXPERIMENTAL Para la construcción del circuito se dividió en distintas partes, las cuales se iban acoplando hasta lograr leer la temperatura del sensor.

PARTE A. 1. Se realizaron los cálculos necesarios para

lograr diseñar un transductor de corriente a voltaje capaz de manejar una corriente menor a 1mA.

2. Se utiliza un potenciómetro para la simulación de un Pt100.

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PARTE B. 1. Se realizan los cálculos para diseñar un

circuito acondicionador. 2. Se utilizaron potenciómetros para colocar

rangos de 1V a 5V.

PARTE C. 1. Se realizaron los cálculos necesarios para

diseñar un transductor de voltaje a corriente. 2. Se realizaron los cálculos necesarios para

diseñar un transductor de corriente a voltaje.

PARTE D. 1. Se realizó un programa en lenguaje de

programación MicroC, tomando en cuenta el voltaje de salida entre 1v-5v del circuito construido.

III. RESULTADOS

Imagen 1: Módulo simulador de PT100.

Imagen 2: Módulo de acondicionamiento de voltaje.

 

Figura  1:  Ecuación  de  acondicionamiento.  

Imagen 3: Módulo inversor de voltaje.

Imagen 4: Módulos transductores.

TABLA I Resultados a 0°C

Parámetro Valor experimental

Valor Teórico Error

Resistencia (ohm)

102.7 100 2.7%

Corriente (mA)

6.25 4 56.25%

y  =  -­‐24.712x  -­‐  117.82  

-­‐6  

-­‐4  

-­‐2  

0  -­‐4.75   -­‐4.7   -­‐4.65   -­‐4.6   -­‐4.55  

Acondicionamiento  

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TABLA II Resultados a 100°C

Parámetro Valor experimental

Valor Teórico Error

Resistencia (ohm)

138 138.51 0.37%

Corriente (mA)

18.89 20 5.55%

 

Imagen  5:  Circuito  final.  

 

Imagen  6:  Lectura  de  temperatura  0°C  en  pantalla  LCD.  

 

Imagen  7:  Lectura  de  temperatura  a  100  en  pantalla  LCD.

IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

El objetivo de este proyecto se enfoca en comprender el comportamiento de un sensor de temperatura industrial, en esta ocasión PT100, el cual varia su resistencia interna dependiendo de la temperatura del ambiente. Como podemos observar en las hojas de datos ofrecidas por los fabricantes del sensor de temperatura el PT100 varia entre los valores de 100 y 138.51 ohms para temperaturas de 0°C y 100°C respectivamente funcionando con corriente máxima de 1mA. Tomando estos datos en consideración diseñamos un circuito, simulando el PT100 con un potenciómetro de precisión, que muestra el valor de la temperatura en grados Celsius y Farenheit en una pantalla LCD que representan la variación de resistencia que presentaría el PT100 en situaciones industriales reales. La solución a esta necesidad la desarrollamos por medio de módulos, iniciando con una representación de la resistencia en el sensor como un nivel de potencial. Esto con el fin de poder tener una señal fácil de interpretar con el PIC16F887. Para lograr este objetivo debimos asegurar una corriente máxima de 0.8mA para no dañar el PT100 y la variación de la corriente por esta rama es representada a un como un nivel de voltaje con la ayuda de un circuito conversor de corriente-voltaje como se muestra en la imagen 1. Los valores de voltaje obtenidos con el primer módulo presentan variaciones proporcionales a la variación de corriente, la cual es muy pequeña además de presentar valores negativos en la salida. Para solucionar este problema utilizamos un circuito de acondicionamiento el

4  Faculta de Ingeniería - Departamento de Ingeniería Electrónica - Universidad del Valle de Guatemala cual nos permite obtener una señal de salida que representa una recta previamente calculada y muestra variaciones entre -1v y -5v, los cuales son utilizados como entrada analógica en el PIC. Esta ecuación se presenta en la figura 1. Para facilitar la representación digital de dichos valores se agregó un módulo de inversión a la señal obtenida en el acondicionador. En la industria es muy común encontrarse con centros de control alejados del punto donde se realiza la medición. Representamos esta problema con un cable de 3m que separa el sensor del PIC que interpreta la señal. Un cable de 3m de largo representa una pequeña resistencia a los niveles de voltaje que se desean enviar, las variaciones pueden ser pequeñas pero representa errores en la lectura realizada por el PIC. Este problema se puede evitar transmitiendo valores de corriente que se mantienen constantes a lo largo del cable utilizando dos circuitos transductores, el primero convirtiendo voltaje a corriente, con variación entre 4 y 20 mA que es común en la industria, el segundo convirtiendo corriente a voltaje, imagen 4, agregando un inversor de voltaje como el de la imagen 3 para corregir la inversión de signo generada por los transductores. Estos módulos trabajando en conjunto permiten representar la variación resistiva del PT100 como una variación de voltaje entre 1v y 5v. Utilizando lenguaje de programación Micro C se logró representar estos voltajes como valores de temperatura en una pantalla LCD controlada por el PIC 16F887 como se muestra en las imágenes 6 y 7.

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. El comportamiento del sensor de temperatura,

PT100, se puede simular con un potenciometro de precisión obteniendo error mínimo de 0.37%

2. Se logró representar con éxito el comportamiento de un PT100 en condiciones industriales comunes.

3. Se recomienda utilizar potenciometros de precisión en los circuitos acondicionadores para obtener la señal de salida deseada.

4. El aprovechamiento de software simulador de circuitos facilita el diseño de circuitos y la detección de errores en estos.

VI. BIBLIOGRAFÍA

o Arian. “Pt100, su operación, instalación y tablas”. [Online]: http://www.arian.cl/downloads/nt-004.pdf

o Leandro, N. “Sensor de temperatura por

resistencia, Pt100.” Buenos Aires, Argentina. [Online]: http://www.ingecozs.com/pt100.pdf

o Omega. “Sondas y elementos de resistencia de

platino” [Online]: http://es.omega.com/prodinfo/pt100_es.html