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Instrumentacin Electrnica ILaboratorio 7: Sensor RTDCatedrtico: Ing. Jos Ramos LpezInstructor: Br. Joel Wilfredo Paniagua OrellanaAlumnos: Torres Amaya, Xavier Alexandro TA07016

Peate Santos, Rafael Antonio PS0501127 de Mayo de 2013 Grupo Viernes 10 am -12 am

ResumenPara este laboratorio se diseara e implementara un circuito RTD para medir un rango de

temperatura y esta sea valorada gracias a la variacin hmica de la RTD, mostrando

adems los datos tericos esperados y sus respectivos resultados prcticos. Es

importante aprender a utilizar los distintos elementos para la presentacin de resultados

es por esto que se usara el Intersil 7106/07 el cual es un convertidor A/D de 3 y medio

dgitos adems con un pantalla LCD/LED.

MaterialesIntersil 7106/07

Multmetro

AD584

AD7533

AMP01

2N4339

Sensor RTD (100a 0C)

Resistencias

Introduccin

Un RTD vara su resistencia en dependencia de la temperatura, de esta manera, el diseo

de una RTD est basado bajo este principio. El elemento sensor es una resistencia

embobinada a la que se le conoce como bulbo de termmetro de resistencia. este se

conecta a un instrumento de medicin para poder leer los cambios en la RTD y poder

conocer la temperatura a la que est expuesta. Se busca que los datos obtenidos sean

de proporcin lineal o que se ajusten a esta tendencia. Adems, la aplicacin de los

conceptos tericos para el diseo, para la implementacin de circuitos de referencia de

voltaje como tambin de corriente para obtener los resultados deseados por nuestra

practica de laboratorio.

Desarrollo de la prcticaA continuacin se presenta el diseo que se implemento para el termmetro basado en

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una RTD, pero antes de todo se tuvo que conocer la tendencia de la RTD con respecto a

la temperatura es por esto que a continuacin se presenta los valores de resistencias para

intervalos de temperatura.

T [C ] R [ ]

0 10020 107.840 115.660 123.480 131.4100 139120 146.8140 154.6160 162.4180 170.2

200 178220 185.8240 193.6260 201.4280 209.2300 217

Tabla 1: Caracterizacin de la RTD

El comportamiento caracterstico del RTD utilizado en este experimento se presenta a

continuacin (la tabla completa de caracterizacin Resistencia vs Temperatura se anexa a

este informe).

A 0C el dispositivo presenta una resistencia de 100 luego aumenta 39% por cada

aumento de temperatura, es decir, aumenta 39 por cada 100C, aunque en el diseo

solo se utilizara el rango de 0 a 200C, pero en la tabla se presenta hasta 300C siempre

el dispositivo presenta un comportamiento lineal en todo este rango.

Figura 1: Relacin Resistencia vs Temperatura de un RTD de 100, 39%.

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400

Resistencia[]

Temperatura C

RTD 100 39%

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El diseo consta de 3 etapas bsicas, como se muestra en el siguiente diagrama de

bloques:

Figura 2: Diagrama de bloques de diseo a implementar

El circuito completo se muestra en la siguiente imagen, aclarando que en nuestro caso Q1

sera reemplazado por un 2N4339:

Figura 3: Diseo a implementar en el laboratorio

RESTA MATEMTICA

OBTENIDA CON AMP01

RTD con unafuente de

corriente I1mA

REFERENCIA DE

VOLTAJE -100mV

OBTENIDA CON

UN AD7533

+_

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El amplificador utilizado es el AMP01, el cual es un amplificador diferencial de alta

ganancia, su alimentacin ser +15V y -15V.

Para la polarizacin de la RTD se utilizara una fuente de corriente de 1mA, el diseo de

sta fuente se detalla adelante.

Uno de los pines RTD estar conectada a tierra, el otro pin a la fuente de corriente y a alpin inversor del AMP01. Adems se utilizara una fuente de voltaje que ser conectada en

pin no-inversor del AMP01, para establecer el voltaje de correccin y posteriormente

restarle el voltaje en el pin inversor producido por la RTD cuando se encuentra a 0 C.

CALCULO DEL VREF

Para calcular el voltaje producido por la RTD a 0 C y la ganancia deseada ocupamos la

siguiente tabla de especificaciones:

Temperatura

(C)

Resistencia

()

Vin (mV) Vout(mV)

0 100 0 0

100 139 0.039 100

200 178 0.078 200

Tabla 2: Valores tericos para la implementacin de la RTD.Donde:

Vin = es la diferencia de voltaje vista entre las terminales de entada del AMP01 en (mV).

Vout = es el voltaje de salida del AMP01 en (mV).

Notamos que la RTD presente una resistencia de 100 a 0C, lo que fija un voltaje de100mV negativos en uno de los extremos de la RTD. Por lo que este voltaje debe

restrsele. Este voltaje de compensacin es el valor de Vref.

Por lo que concluimos que Vref debe ser de un valor de -100mV.

CALCULO DE LA FUENTE DE CORRIENTE

Ya que se necesita -10V en la entrada inversora del LF356, ya que es un seguidor de

voltaje este ayudara a fijar nuestra fuente de corriente a 1mA, solo se calcula el valor de

la resistencia R1 de la siguiente manera:

R1 =10V

1mA= 10k

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Figura 4:Diseo de la fuente de corriente.

Figura 5:Corriente experimental obtenido.

En la figura 4 se puede apreciar la configuracin usada para la fuente de corriente

utilizando un jFet (2N4339), y en la figura 5 apreciamos el valor experimental de la

corriente, con esto se concluye que la fuente est funcionando segn especificaciones.

DISEO DE FUENTE DE -100mVEn esta etapa se utiliza un AD7533 que es un DAC de 10 bits, lo cual brinda la precisin

necesaria para el diseo. Como referencia de voltaje se utilizan 2.5V obtenidos de un

AD584, a continuacin se presenta la forma en que tiene que ser conectado para su buen

funcionamiento.

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Figura 6:Conexin adecuada para lograr el voltaje de correccin.

Por la conexin expuesta en la figura 6 obtendremos a su salida un voltaje negativo, por

tanto:

.

=

.=.

Para obtener aproximadamente -100 mV a la salida del DAC se debe escribir el siguiente

cdigo binario:

D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

0 0 0 0 1 0 1 0 0 1

Tabla 3: Palabra binaria a ingresar en el DAC.

Como se menciono anteriormente, buscamos compensar el voltaje obtenido en uno de los

extremos de la RTD, cuando este est a 0 C, que como se muestra en la grafica anterior,

es de -100mV. Estos voltajes introducidos en las terminales inversoras y no inversoras del

AMP-01, tienen una respuesta de salida de 0V que es lo que se espera. Este voltaje de

compensacin tiene que crearse, con algn elemento de circuito que no introduzca

variaciones en funcin de la fuente de suministro, esto con el objeto de que el resultadoarrojado por la salida del AMP-01, no cambie por otro motivo ms que por las variaciones

en la resistencia de la RTD.

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Figura 7:Vref obtenido en el laboratorio.

ETAPA DE RESTA ANALGICA

Esta etapa se realiza con un amplificador de instrumentacin AMP01 ya que su precisin

y reducido voltaje de offset lo hace ideal para este tipo de aplicaciones, se utilizara la

siguiente configuracin para el mismo (figura 8).

Figura 8:Conexin para el AMP01.

Para calcular la ganancia, se acoplan todo el circuito, tanto el voltaje formado en uno de

los extremos de la RTD cuando esta vale 100 a 0 C, que corresponde a -100mV, as

como el voltaje de compensacin creado con el AD7533, que son -100mV. El voltaje

diferencial en las condiciones antes mencionadas tiene que dar un valor de 0V a la salida

del AMP-01 que es lo que se esperaba, porque este ultimo el que modelara la respuesta

de nuestro termmetro.

Operacin a 0 C:

Se espera que la RTD presente una resistencia de 100, lo que fija un voltaje de -100mV

en uno de los extremos de la RTD. Que al restarse con el voltaje de compensacin

introducido por el AD7533 (-100mV) produce una salida de 0V por medio del AMP-01.

Operacin a 100 C:

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A esta temperatura se espera que la RTD presente una resistencia de 139, lo que fijara

un voltaje de 139 mA, en uno de los extremos de la RTD. Como el voltaje de salida del

AMP-01 esta modelado como una presentacin de la temperatura, con respecto a la

variacin de la resistencia de la RTD, buscamos que a la resistencia anterior tengamos

una salida de 100 mV, el cual representa una temperatura de 100 C, Por lo tanto la

ganancia entre la entrada diferencial del AMP-01 y la salida tiene que ser de la siguientemanera:

=()

( ) .

=

. =

Ahora fijando el valor de RS = 10ka podemos encontrar el valor de .

=; =.

Ahora se puede simular todo el circuito para comprobar su funcionamiento (el circuito para

el AD7533 fue reemplazado por una fuente de voltaje de -100mV ya que TINA no cuenta

con ese componente).

Figura 9: Termmetro para un valor de 0C.

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Figura 10: Termmetro para un valor de 200C.

Como se puede observar en la figura 8 para un valor de 0C captado por la RTD se

obtiene un valor de 0V a la salida del AMP01, caso contrario para un valor de 200C la

salida del AMP01 es de 200mV, esto cumple con las especificaciones del circuito ya que

la fuente de corriente est fijada a 1mA con esto se concluye que el circuito puede ser

implementado en fsico.

Al implementar el circuito en fsico se obtuvieron los siguientes resultados:

Figura 11: Circuito implementado en el laboratorio.

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Figura 12: Temperatura medida vista en el Intersil.

Figura 13: Temperatura ambiente medida con el termmetro.

Al observar la figura 12 observamos que la RTD capto una temperatura de 24.5C, para

comprobar esto se utilizo el termmetro del tester (figura 13) y este al igual que nuestro

circuito capto la misma temperatura con esto podemos dar como satisfactoria la prctica.

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Conclusiones. Los sensores RTD son adecuados en aplicaciones de exactitud y no de velocidad

de respuesta, tomando tambin que el costo de fabricacin puede ser muy

elevado dependiendo de la precisin deseada.

Adems es importante la aplicacin de fuentes de referencia estables para evitar

errores en la lectura por variaciones en ellas. Por lo cual es importante el

conocimiento de los IC correspondientes para mantener constantes nuestras

referencias tanto de voltaje como de corriente.

Como tambin se puede atribuir que la variacin en nuestras mediciones son

debidas a que nuestros dispositivos tambin son expuestos a la temperatura

disminuyendo la eficiencia de nuestro instrumento.

Bibliografa

Circuitos microelectrnicos. Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. 5 Edicin.

The Art of Electronics, Horowitz, Cambridge,1990

Notas de clase Instrumentacin Electrnica I, Ing. Jos Ramos.