Infoerme de Transductores - Principios de Control y Automatización
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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA
FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
“LABORATORIO DE TRANSDUCTORES Y CONTROLADORES DE TEMPERATURA”
PROFESORA:
MARTINEZ TAPIA, PATRICIA
INTEGRANTES:
SAMUEL ESPINOZA BENITES MIGUEL GOMES CASTILLO JOSE RIOS TORRES
2012 – I
I. INTRODUCION
Hoy en día, la automatización de operaciones unitarias en la mayoría de procesos industriales es una tecnología muy aplicada, de manera esencial, en el control preventivo de éstas operaciones. En la industria de alimentos esta herramienta es muy útil, debido a que nos permiten tener un mayor control de aquellas variables del proceso que tienen relación directa en el desarrollo de la cadena productiva y en las características finales del producto.
Así mismo, un ejemplo de herramienta de automatización son los controladores de temperatura, los cuales controlan las operaciones unitarias donde intervenga la transferencia de calor, como procesos de enfriamiento y calentamiento. Para el caso de calentamiento, los procesos de pasteurización, cocción, escaldado, esterilización y tratamientos UHT necesitan ser controlados en la variable temperatura con la utilización de controladores, debido a que estos indican el instante en que el producto alcanza la temperatura deseada, llevando esa operación a su fin. Para el caso de operaciones donde se requiere mantener una cadena de frío, también es esencial el uso de controladores de temperatura, así como en el calentamiento, pues estos detectan cualquier variación en la temperatura de una cámara de refrigeración o congelación, túnel de frío, etc.
En el mercado, existen diversos sensores de temperatura, cada cual con ventajas y desventajas, así como niveles de exactitud.
Los objetivos de la presente práctica fueron:
- Conocer el uso de transductores y controladores de temperaturas.
2
- Analizar los transductores de temperatura y los circuitos de acondicionamiento.
- Controlar automáticamente la temperatura con el controlador PID.
II. REVISION DE LITERATURA
2.1.SISTEMAS DE CONTROL
Poma et. al. (2007) dice que los sistemas de control son una combinación de
elementos conectados entre sí, y que de manera individual no podrían realizar
un proceso industrial. Un sistema de control cuenta con 3 elementos:
1. El controlador, es el cerebro del sistema, y por ende proporciona la
inteligencia para el sistema de control, como un controlador lógico
programable (PLC), una computadora análoga o digital, etc.
2. Los actuadores o transductores de salida, se comportan como los
músculos del sistema de control, en el ejemplo anterior, son las
resistencias eléctricas que permite aumentar el valor de la variable
temperatura, las válvulas, las bombas, etc.
3. Los sensores o transductores de entrada, tienen una función similar a
los sentidos del ser humano, miden el valor de las variables relacionados
a esas funciones, en un proceso industrial
2.2.CONTROL DE TEMPERATURA
Los problemas de control de la temperatura son en realidad problemas de
transferencia de calor, cualquiera que sea el mecanismo: radiación, conducción
o convección, por lo que es necesario examinar las características generales
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del circuito de temperatura. Dependiendo del proceso, el controlador de
temperatura tendrá elementos dinámicos importantes en el proceso como: la
capacidad calorífica, el retraso en el bulbo de temperatura, etc. para poder
establecer el control del sistema (Shinskey, 1996).
2.3.CONTROLADORES PID
Es un controlador que combina las siguientes acciones:
Proporcional: aquella en que el elemento final de regulación efectúa, con
referencia a una posición inicial correspondiente a una señal de error
nula, un movimiento o carrera proporcional a la magnitud de la desviación.
El factor de proporcionalidad es ajustable.
Integral (Reset): acción correctora, proporcionada por el modo de
regulación flotante de velocidad proporcional, se superpone a la acción
proporcional. No se necesita la operación manual de reajuste, después de
un cambio de carga o de un cambio en el punto de consigna, puesto que
la acción integral la efectuara de forma automática, es por ello que
también se le denomina reajuste automático.
Derivativa (Rate): es aquella en que la posición del elemento final de
regulación adopta, con relación a una posición original correspondiente a
una desviación constante, un desplazamiento instantáneo proporcional a
la velocidad de cambio de la desviación; esto es, a la pendiente de la
señal de medida.
Es así como la acción proporcional corregirá la posición de la válvula en una
cuantía proporcional a la desviación, la acción integral moverá la válvula a una
velocidad proporcional a la señal de error o desviación y la acción derivativa
corregirá la posición de la válvula en una cantidad proporcional a la velocidad
de cambio de la desviación (Roca, 1999).
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2.4.TRANSDUCTORES
Según Mompín (1982) los transductores eléctricos de temperatura utilizan
diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales
figuran:
1. Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia).
2. Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).
3. f.e.m creada en la unión de dos metales distintos (termopares).
4. Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de
radiación).
5. Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un
gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.)
Con relación a los transductores de temperatura, Mompín (1982) señala lo
siguiente:
Termómetros de resistencia: el material que forma el conductor se
caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia”
que expresa, a una temperatura especificada, la variación de la
resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su
temperatura.
Termistores: son semiconductores electrónicos con un coeficiente de
resistencia negativo de valor elevado y que presentan una curva
característica lineal tensión – corriente siempre que la temperatura se
mantenga constante.
5
Transductor: Es un dispositivo que realiza la conversión de una
magnitud física en otra.
3.5. Instrumentos para medición de temperatura
Termómetro de Vidrio:Este tipo de instrumento es el más conocido. Consta de un tubo de vidrio
hueco, con un depósito lleno de un fluido muy sensible volumétricamente a los
cambios de temperatura. Dependiendo del fluido usado, tendremos diferentes
rangos de temperatura para este tipo de instrumento, los cuáles, vendrán
limitados, por los puntos de solidificación y de ebullición de fluidos como:
- Mercurio (tubo de gas) -35 a 450 °C
- Pentano -200 a 20 °C
- Alcohol -110 a 50 °C
- Tolueno -70 a 100 °C
Termómetros Bimetálicos:Al igual que el termómetro de vidrio, utilizan el fenómeno de cambios
volumétricos, para su funcionamiento. El termómetro bimetálico, consta, como
su nombre lo dice, de dos barras metálicas de diferentes metales unidas
rígidamente, al ser estos materiales diferentes, tendrán necesariamente, que
tener diferentes coeficientes de dilatación lineal.
Esta diferencia produce una curvatura de la barra conjunta, debido a que un
material sé elongará más que el otro. Mediante este método, funcionan la gran
mayoría de los termostatos (interruptores de temperatura) y algunos
termómetros indicadores locales.
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Termopares:El termopar se basa en el principio, del efecto que fuera descubierto en 1821
por Seebeck, que establece que cuando la unión de dos materiales diferentes
se encuentra a una temperatura diferente que la del medio ambiente, a través
de esos materiales circulará una corriente.
El uso de termopares en la industria se ha popularizado, ya que son altamente
precisos y muchos más económicos que las termorresistencias.
Existen muchos métodos para realizar mediciones prácticas de temperatura.
De todos ellos, unos fueron desarrollados para aplicaciones particulares
mientras que otros han ido cayendo en desuso.
Las termocuplas constituyen hoy en día el sistema de medición de temperatura
más usado y de mejor acceso.
Cuadro 1: Ventajas y desventajas de los diferentes sensores de temperatura
RTD Termistor Termopar
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VENTAJAS
- Más estable.
- Más preciso.
- Más lineal que los
Termopares.
- Alto rendimiento
- Rápido
- Medida de dos
hilos
- Autoalimentado
Robusto
- Económico
- Amplia variedad
de formas físicas
- Amplia gama de
Temperaturas
DESVENTAJAS
- Caro.
- Lento.
- Precisa fuente de
alimentación.
- Pequeño cambio
de resistencia.
- Medida de 4 hilos.
- Autocalentable
- No lineal.
- Rango de
temperaturas
limitado.
- Frágil.
- Precisa fuente de
alimentación.
- Autocalentable
- No lineal
- Baja tensión
- Precisa
referencia.
- El menos
estable.
- El menos
sensible.
Fuente: Mc. Farlane (1997)
Cuadro 2: Características de termopares.
Tipo Rango Tolerancia Características
Hierro-Cobre-Níquel
(Fe-Constantán)0 a 500ºC
3ºC (<300ºC)
1% (>300ºC)
Necesita protección
contra la humedad
Tipo J
Cobre-Cobre-Níquel-100 a 400ºC
1ºC (<100ºC)
1% (>100ºC)
Recomendado para
rangos bajo cero(Cu-Constantán)
Tipo T
Cromel-Alumel 0 a 1000ºC 3ºC (<400ºC) No adecuado para
(NiCr-NiAl)
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Tipo K
Platino-Platino-Rodio
Tipo K0 a 1400ºC
1ºC (<1100ºC)
2ºC (>1100ºC)
No necesita funda
Metálica
Fuente: Bentley (1984) citado por Mc. Farlane (1997)
3.6. Descripción de la unidad módulos G34A/EV y TY34/EV
En la unidad de temperatura TY34/EV se halla montada una plancha de
aluminio sobre la que se realiza el proceso térmico, lo que permite obtener
temperaturas elevadas con una potencia de calentamiento limitada. Esta
unidad está provista también de actuadores térmicos: una resistencia eléctrica
y un ventilador.
La plancha de aluminio está provista de enchufes para la conexión de los tres
tipos de transductores de temperatura usados en la industria (PTC, termistor,
termorresistencia y termopar); en la misma se encuentran también el
alojamiento para el termómetro de mercurio con el que se medirá la
temperatura de referencia necesaria para determinar la calidad del control de
temperatura.
III. MATERIALES Y METODOS
3.1.Material requerido- Modulo G34/EV que consta de 10 circuitos, siendo los principales:
- Set point
- Amplificador de error
- Acondicionadores de señal de transductor
- Controlador PID
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- Amplificadores de potencia con TRIAC para alimentar los componentes
calefactores
- Amplificador de transitores bipolares BJT para alimentar el ventilador de
refrigeración
La predisposición del set-point (de temperaturas) se realiza a través de un
potenciómetro relativo y una referencia de tensión interna. Los transductores de
temperatura se encuentran en la unidad exterior modulo TY34/EV y son:
- Transductor de temperatura de semiconductor (STT)
- Termistor (NTC)
- Termorresistencia (RTD)
- Termopar de tipo J
- Fuente de alimentación +12V
- Fuente de alimentación 24V ca 4 A
- Multímetro digital
3.2.Preparación del módulo- Conectar los transductores al modulo G34/EV, insertando los enchufes
DIIN en las tomas correspondientes
- Insertar los cuatro transductores y el termómetro de mercurio en los
orificios correspondientes de la unidad TY34/EV
- Conectar los bujes HEATER y COOLER del modulo G34/EV con los
bujes HEATER y COLER de la unidad TY34/EV
- Conectar entre si los bujes 2,3 y 10
- Conectar entre si los bujes 5 y 6
- Conectar entre si los bujes 9 y 11
- Conectar entre si los bujes 4 y 23
- Posición desviadores:
Sección TEMPERATURE METER: posición STT
Sección COOLER POWER AMPLIFIER: posición AUT
Sección STT: posición ON
Sección RTD: posición ON
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Verificación De funcionamiento: control de temperatura en lazo cerrado- Alimentar el modulo
- Plantear con P1 (SET POINT) una temperatura de 100ºC. La
temperatura planteada se visualiza mediante TEMPERATURA METER
con 100
- Esperar unos diez minutos para permitir que la unidad TY34/EV alcance
la temperatura planteada y se establezca
- Desconectar la entrada 10 de TEMPERATURE METER del buje 3 y
conectarla al buje 4
- Verificar que los indicadores sea 100±2%
- Comparar los valores de temperatura proporcionados por cada
transductor y controlar que no se verifiquen desplazamiento superiores a
los 5ºC
Efectuar las operaciones siguientes:
- Acoplar el transductor de silicio al propio condicionador de señales
- Conectar la salida del bloque “SET-POINT” borne 2 con la entrada del
bloque “ERROR AMPLIFTER” borne 3.
- Conectar la salida del “PID CONTROLLER” con la entrada del
“HEALTER AMPLIFIER”
- Conectar la salida “HEATER” del “POWER AMPLIFIER” con las
resistencias del horno
- Conectar la salida “COOLER” del “HEATER AMPLIFIER” con el
ventilador de la unidad TY 34/EV
- Llevar la conexión de alimentación de potencia c.a (24 + 24 V ac) hasta
el bloque “POWER AMPLIFIER”
- Conectar la salida del acondicionador de señales con la entrada
“Feedback” del bloque “ERROR AMPLIFIER”
- Conectar en cortocircuito el borne 5 con el 6, y desplazar los cursores de
los potenciómetros P2 y P3 del “PID CONTROLLER” (ubicados en el
exterior del panel) hasta la mitad de su recorrido
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- Conectar el multímetro con la salida del acondicionador de señales,
programándolo en la escala de 20V cc. Si se dispone de un registrador
Y-t, conectar la entrada Y a la misma salida
- De este modo, se acaba de realizar el esquema de la Figura 1.
Suministrar las tensiones de alimentación y verificar que la tensión dada por la
fuente de potencia sea de 24 + 24 V ca.
Fig. 1.- Módulo G34/EV
IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES
Cuadro 3: Registro de temperaturas del set point y los sensores.
Set Point SIT NTC RTD TERMOCUPLA TERMÓMETRO DE Hg
30 29 29 29 33 30
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40 40 40 38 41 3850 43 42 46 48 4960 52 51 55 55 5270 61 60 62 62 5880 74 73 77 76 7090 78 80 81 80 77100 91 89 92 90 86110 98 95 97 95 93
RTD Los materiales más comunes para la fabricación de RTD's son el platino, el
niquel y el cobre y en algunas aplicaciones a bajas temperaturas (alrededor de
los 20oK) el Rodio.
Las características que deben tener los materiales empleados son:
1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia (sensibilidad).
2. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la temperatura mayor será la
variación por grado.
3. Relación lineal temperatura-resistencia.
4. Rigidez y ductilidad.
5. Estabilidad de las características en la vida útil.
Las características cualitativas más importantes de los metales empleados para
la construcción de RDT's se tabulan a continuación:
Una desventaja del uso de RTD's, es que se deben emplear corrientes que
circulen a través de ellos lo suficientemente pequeñas para evitar el
autocalentamiento.
Un dato técnico importante es el llamado constante de disipación que indica la
potencia requerida para elevar la temperatura un grado (cualquier escala). Una
constante de disipación de 25 mW / oC muestra que la pérdida de potencia en
un RTD igual a 25 mW y el RTD se calentará 1oC.
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El autocalentamiento se calcula a partir de la expresión
DT = P/PD
Donde:
DT = diferencia de temperatura (autocalentamiento).
P = potencia disipada en el RTD en Watts.
PD = Constante de disipación en W / °C.
Mc Farlane (1997) señala que para lograr una precisión mayor de décimas es
necesario emplear los Termómetros de Resistencia de Platino o sus siglas en
ingles PRT, por lo cual el sensor de temperatura RTD es el que presenta los
valores más próximos a las temperaturas establecidas como set points. Los
RTDs son populares por su excelente estabilidad y muestran la señal más
lineal con respecto a la temperatura de cualquier sensor electrónico de
temperatura (National Instruments, 2011).
Los RTDs están compuestos por una de las dos configuraciones de
manufactura. Los RTDswire-wound se construyen al enrollar un cable delgado
en una turbina. Una configuración más común es el elemento de película
delgada, el cual consiste en una capa muy delgada de metal puesta sobre un
estrato de plástico o cerámica. Los elementos de película delgada son más
baratos y ampliamente disponibles ya que pueden alcanzar resistencias
nominales más altas con menos platino. Para proteger el RTD, una cubierta de
metal cubre al elemento RTD y los cables conectados a él. (National
Instruments, 2011).
V. CONCLUSIONES
El medidor de temperatura RTD es más exacto que los medidores de
Termopar J y NTC.
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El RTD ofrece un buen control frente a la variación de la resistencia en
función de la temperatura.
VI. BIBLIOGRAFIA
MC FARLANE ,I. 1997. La automatización de la fabricación de
alimentos y bebidas. Madrid Vicente Ediciones.
NATIONAL INSTRUMENTS.Ni Developer Zone.Medir Temperatura con
un RTD o Termistor. Sitio Web Disponible:
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/9336 Consultada el 30 de Junio
del 2012
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA. 2001. Laboratorio
de Electrónica Anexo 1: Transductores. Departamento de electrónica.
Chile. Consultado el 30 de junio del 2012. Disponible en:
www.elo.utfsm.cl/~elo109/anexo.doc.
CUESTIONARIO
1. ¿QUÉ SENSOR TUVO MAYOR PRECISIÓN?, EXPLIQUE
Como se mencionó anteriormente:
Mc Farlane (1997) señala que para lograr una precisión mayor de décimas es
necesario emplear los Termómetros de Resistencia de Platino o sus siglas en
ingles PRT, por lo cual el sensor de temperatura RTD es el que presenta los
valores más próximos a las temperaturas establecidas como set points. Los
RTDs son populares por su excelente estabilidad y muestran la señal más
lineal con respecto a la temperatura de cualquier sensor electrónico de
temperatura (National Instruments, 2011).
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