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Escuela de Ingeniera Civil Electrnica
REDISEO Y CONSTRUCCIN DE UNTERMO-ESTIMULADOR.
Tesis para optar al ttulo de:Ingeniero lectrnico
Profesor Patrocinante:Sr. Daniel Vicente Lhr Sierra
Ingeniero Civil Electricista
LUIS ANTONIO PONTIGO VASQUEZVALDIVIA - CHILE
2011
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NDICE
RESUMEN....5
SUMMARY.. 6
CAPTULO I.- DESCRIPCIN..7
1.1 INTRODUCCIN..... 8
1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO.....10
1.3 MOTIVACIN... 11
1.4 SITUACIN DEL PROYECTO. . 12
1.5 ANTECEDENTES... 13
CAPTULO II.-CELDADE PELTIER......14
2.1INTRODUCCIN.............15
2.2 DEFINICIN........17
2.3 CONSIDERACIONES....19
2.4 MTODOS FORZADOS DE ESTABILIZACIN DE TEMPERATURA......22
2.5 DISIPADOR A UTILIZAR... 23
2.6 MEDICIONES Y PRUEBAS CON LA CELDA24
CAPTULO III.- SISTEMA EMBEBIDO TS-7400..27
3.1 INTRODUCCIN.. 28
3.2 CARACTERSTICAS DEL SISTEMA OPERATIVO 30
3.3 COMPONENTES DE HARDWARE.. 31
3.4 PROCESO DE ARRANQUE.. 37
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CAPTULO IV.- SENSOR DE TEMPERATURA. 40
4.1 INTRODUCCIN. ....414.2 TIPOS DE SENSORES..43
4.2.1) Termopar ..43
4.2.2) RTD44
4.2.3) Termistor NTC, y PTC46
4.2.4) Sensores Bimetales 48
4.2.5) Sensores Integrados...49
4.3 SELECCN DEL SENSOR...50
4.4 CONEXIN DEL SENSOR AL TS-7400..55
CAPTULO V.- CONTROL PID...58
5.1 INTRODUCCIN.59
5.2 ESTRUCTURA PID.61
5.3 VARIABLES A CONSIDERAR..64
5.4 SALIDA DE SEAL PWM DE LA TS-7400.....67
5.5. SOFTWARE CONTROL PID....74
CAPTULO VI.- ETAPA DE POTENCIA....76
6.1 FUENTE DE ALIMENTACIN...776.3 PUENTE H....86
6.4 CIRCUITO DE POTENCIA.........89
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CAPITULO VII.- PUESTA EN MARCHA...91
7.1 INICIO DEL SISTEMA EMBEBIDO..92
7.2 TRASPASO DE INFORMACIN AL SISTEMA EMBEBIDO...957.3 SOFTWARE DEL SISTEMA100
7.4 PLATAFORMA WEB.104
CAPTULO 8.- DISCUSIONES Y CONCLUSIONES....105
COSTOS DEL PROYECTO 108
BIBLIOGRAFIAS..109
ANEXOS....111
- Softwares, Imgenes, y datos Adjuntos.....112
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RESUMEN
En la presente investigacin se desarrollar el diseo y construccin de un Termo-estimulador.
Para esto se utilizar un sistema embebido el cual est encargado de realizar el control PID,sobre una celda de peltier, la cual vara su temperatura en funcin de la corriente que circule
por ella.
El objetivo principal del proyecto de titulacin es mantener la temperatura constante en la celda
de peltier durante el mayor tiempo posible y con la mayor rapidez. A la vez, se debe tener
presente que el titulo del proyecto es Rediseo y construccin de un termo-estimulador, para
lo cual se realizar una reingeniera completa de un termo-estimulador, por lo que no se
profundizar en diseos anteriores, tomando solo de estos, sus caractersticas y objetivosprincipales. Se incorporarn nuevas y poco masificadas tecnologas, como son los sistemas
embebidos en base al sistema operativo Linux, explotando al mximo las caractersticas de
ste, para as optimizar y lograr que la temperatura en la celda de peltier tenga una variacin lo
ms rpida y estable posible, como se mencion anteriormente.
Finalmente, se realizar una plataforma Web, interactiva y amigable para el control de la
temperatura en la Celda de Peltier, para lograr el control desde una estacin remota. Para esto
se analizar y trabajar con variados lenguajes de programacin. Una vez hecho esto, seproceder a construir el prototipo del sistema, y se tomarn todas las mediciones
correspondientes, incorporando todos los costos relacionados a su construccin.
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Summary:
In this research we will develop the design and construction of a thermo-stimulator. For
this, we will use an embedded system which is responsible for carrying out the PID control ona Peltier cell, and its temperature varies depending on the current flowing through it.
The main objective of this research is to maintain constantly the temperature in the Peltier
cell for as long as possible and quickly. At the same time, we have to considered that the main
topic or the name of this project is "The redesign and construction of a thermo-stimulator", and
for this, we will do a complete reengineering of a thermo-stimulator. So, this research will not talk
deeper than the basic characteristics and main goals of the previous designs. We will
incorporate new and less known technologies, such as embedded systems basedon Linux operating system, using its characteristics as much as we can, to optimize and make
the temperature in the Peltier cell has a variation as fast and stable as possible.
Finally, there will be an interactive and a friendly Web platform, to control the temperature in the
Peltier cell to control it, from a remote station. For this, we will analyze and work with various
programming languages. Once this is done, we will also proceed to build the prototype system,
and do all the appropriate measures, including all the costs related to its construction.
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Captulo I
DESCRIPCION
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1.1) Introduccin.
Si bien el proyecto se basa en la creacin y estabilizacin de la temperatura en un termo
estimulador, se debe recalcar que este proyecto, est ms enfocado en la utilizacin de trescomponentes de gran importancia para el correcto funcionamiento de est, como son: la celda
de peltier, sensor de temperatura, y el sistema embebido TS-7400. Siendo este ultimo
componente el ms importante y la base del proyecto.
La Celda De Peltier, es un semiconductor poco masificado debido a la dificultad de obtener
una respuesta lineal o constante de este, La Celda de Peltier lleva el nombre de su descubridor
Jean Peltier, quien en 1834, descubri su funcionamiento bsico , que consiste en crear una
diferencia trmica a partir de una diferencia de potencial, el cual es el efecto contrario al efectoSeebeck, descubierto por Thomas Johann Seebeck 13 aos antes, en 1821 .El efecto
Seebeck convierte una diferencia de temperatura en electricidad, en pocas palabras se crea un
voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos semiconductores diferentes.
El segundo componente importante en el proyecto es el sensorde temperaturaa utilizar, ya
que este debe presentar una respuesta lo ms estable y rpida posible, con el menor error o
variacin de la temperatura medida.
Finalmente el tercer componente es el sistema embebido TS-7400, el cual basa su
funcionamiento en el software libre Linux, siendo el TS-7400 un modulo de computador
compacto, el cual incorpora el masificado Procesador Cirrus EP9302 ARM9, que proporciona
un conjunto de perifricos, tanto de entrada como de salida, presentando caractersticas como:
Procesador de 200 Mhz, 1 conector estndar SD de hasta 4 Gb, 1 puerto Ethernet 10/100, 2
puertos UBS, una cabecera de 40 pines y una cabecera de 26 pines, las cuales incorporan
muchas interfaces, como son: audio AC`97/I2c, 3 puertos COM con niveles TTL, 4 canales A/D,
20 DIO, canal SPI, reguladores de voltajes, puerto USB, Soporte Wi-Fi 802.11g, entre otros, de
los cuales se analizarn en el transcurso de la investigacin.
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Para entender las dimensiones y aplicaciones de este trabajo se debe comenzar explicando en
qu consiste un termo estimulador, el cual fue creado, con el fin de variar repentina y
bruscamente la temperatura en un aparato, generalmente una celda de peltier, con variadas
aplicaciones como son producir reacciones en el sistema nervioso debido a las variacionesrepentinas de temperatura, as como tambin controlar la multiplicacin celular en un
laboratorio, entre otras aplicaciones.
El termo estimulador basa su funcionamiento en mantener constante y controlada la
temperatura en la Celda De Peltier durante el mayor tiempo posible, pero mantener dicha
temperatura constante es complicado, debido a que la celda de peltier es un semiconductor, el
cual mientras una cara est enfriando, la otra est calentando, producindose una transferencia
de calor desde la cara caliente a la fra, debido a la proximidad entre stas.
Originalmente el termo estimulador presenta algunas desventajas, como son:
1) el gran tamao del equipo, por lo que no es fcil de transportar.
2) la imposibilidad de mantener constante la temperatura de la Celda De Peltier.
Debido a que como se mencion anteriormente, no es un semiconductor de respuesta lineal o
constante debido a la transferencia de calor de una cara a otra, variando de esta forma su
resistividad a causa de la temperatura que se produce en la celda, por lo cual consume cada
vez ms corriente para estabilizarla, llegando un punto donde la celda excede su capacidad
mxima de potencia, y a diferencia de otros diseos anteriores, en este se pretende controlar la
temperatura desde una estacin remota, aprovechando las caractersticas del sistema
embebido TS-7400, y se utilizar tambin como servidor Web, para as controlar desde una Red
Ethernet los parmetros de control PID, con el objetivo de lograr estabilizar la temperatura de la
celda de peltier.
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1.2) Objetivos del proyecto.
- Redisear y construir un termo estimulador, para as modernizar y actualizar diseos
creados anteriormente.
- Utilizar, y dar a conocer un semiconductor poco masificado, como es la Celda de Peltier.
- Mantener estable durante el mayor tiempo posible la temperatura de la Celda de Peltier,
por medio de un control PID.
- Manejar nuevas tecnologas, como es el sistema embebido TS-7400, el cual utiliza un
software libre, como es Linux.
- Realizar un programa o una plataforma para controlar los parmetros PID, y la
temperatura de la celda.
- Controlar la temperatura desde una estacin remota, por medio de una red Ethernet.
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1.3) Motivacin.
Como se mencion anteriormente, este proyecto tiene como fin modernizar el diseo de untermo-estimulador, aparato el cual se adhiere sobre la piel, para as variar repentina y
controladamente la temperatura de una celda de peltier, teniendo adems, variadas
aplicaciones, como por ejemplo facilitar la divisin celular en un laboratorio, entre otras
aplicaciones ms. Cabe mencionar que este es un aparato para investigacin, se sabe que
muchas personas sufren de enfermedades como la roscea, lupus, entre otras, las cuales ante
pequeos cambios repentinos de temperatura su piel sobre-reacciona de una exagerada ante
esto, cambiando notoriamente el color de esta, generalmente adoptando la piel un tono rojizo, e
incluso en algunos casos, en un tono morado. Es sabido que esto es debido a una falla de losvasos capilares de la piel, pero lo que se pretende con esto es indagar que zonas de nuestro
sistema nervioso son las que activan esta dilatacin o contraccin de los vasos capilares, por
medio de sondas neuronales, las cuales son responsabilidad del equipo de investigacin.
Desde el punto de vista electrnico, esta es una excelente oportunidad para experimentar con
equipos poco masificados en Sudamrica, como es la utilizacin de sistemas embebidos
basados en software libres, los cuales presentan una cabecera de pines que tienen mltiples
entradas y salidas para el correcto desarrollo de esta investigacin, as como tambin, la
posibilidad de interactuar con otras mquinas, independiente del lugar en que estan situadas, o
del sistema operativo que utilicen.
No hay que olvidar la ya mencionada Celda de Peltier, la cual puede tener variadas
aplicaciones, siendo el objetivo principal poder controlar y mantener constante la temperatura
de las caras de sta, lo cual se pretende conseguir durante el desarrollo de esta investigacin.
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1.4) Situacin del proyecto.
Este proyecto se basa en lograr estabilizar la temperatura de una celda de peltier durante la
mayor cantidad de tiempo posible. Si bien el efecto peltier data de 1834, fecha que se mencionanteriormente que Jean Peltier lo descubri, sabemos que el trabajo con la celda no es popular,
debido a la dificultad de estabilizar la temperatura de dicha celda, a causa de la transferencia de
calor que presenta de una cara a otra, efecto que se dar a conocer ms adelante.
Para el desarrollo del proyecto se decidi utilizar el sistema embebido TS-7400, el cual es un
modulo de computador compacto, con mltiples entradas y salidas, poco masificado, con el que
se pueden realizar un sin fin de aplicaciones.
Tambin se acord realizar el control de la temperatura de la celda de peltier por medio de la
creacin de un programa PID, en la TS-7400. Sabemos que el control PID, es el ms completo
de todos los sistemas de control de lazo cerrado, y para realizar este control de lazo cerrado
ser necesaria la utilizacin de un sensor de temperatura, el cual logre monitorear
constantemente la temperatura en la celda de peltier, para as obtener el error entre el valor
deseado y el valor medido.
Debido a que el sistema embebido TS-7400, presenta salidas de baja potencia, y el consumo
de la celda de peltier puede llegar fcilmente a los 100 Watts, dependiendo del modelo y
tamao de esta, ser necesario incluir una etapa de potencia, para as obtener un control y una
respuesta rpida en la Celda de Peltier, teniendo presente que a mayor potencia, ms rpida
ser la respuesta de la Celda de Peltier.
Gran parte de la investigacin se basar en la puesta en marcha y el correcto funcionamiento
del sistema embebido TS-7400, sirviendo de esta manera como una completa gua para futuras
aplicaciones o trabajos a desarrollar con dicho sistema embebido.
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1.5) Antecedentes.
Se mencion anteriormente, que el objetivo de este proyecto es actualizar el diseo creado
anteriormente, pero se debe recalcar que este trabajo no tiene nada en comn o relacin algunacon el diseo antes mencionado, ms que la utilizacin de la celda de peltier, a pesar de que se
contaba con el manual y su respectivo plano, no se tomar en cuenta el diseo anterior, por
utilizar electrnica discreta, considerarse un diseo obsoleto debido a que las tecnologas
avanzan da a da, utilizando para ello nuevas tecnologas y electrnica digital, partiendo desde
cero en el proyecto a disear.
En la etapa de evaluacin del proyecto se realiz una bsqueda en la WEB, para as
analizar la informacin disponible, encontrndose gran cantidad de material sobre Celdas de
Peltier, y control PID. A la vez se observo la falta de proyectos realizados con el sistemaembebido TS-7400, debido a que es un sistema relativamente nuevo en el mercado y poco
masificado.
Cabe mencionar que se cuenta con un manual de usuario del TS-7400, en el cual se explica
detalladamente cada uno de sus componentes, y funciones que cumplen estos.
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Captulo II
CELDA DE PELTIER
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2.1) Introduccin.
En los ltimos aos la termoelectricidad ha avanzado a pasos agigantados, motivo por el
cual, hoy en da gran parte de la gente ha odo sobre este fenmeno, la que muestraconstantemente algunas aplicaciones en el mercado, siendo la ms popular, las neveras
porttiles.
El descubrimiento de los fenmenos termoelctricos, y la bsqueda de nuevas alternativas de
generacin de energa, ha permitido un avance continuo en la tecnologa termoelctrica en los
ltimos aos, siendo cada da de mayor inters esta rama de la fsica. Y en la experimentacin
en laboratorios con dicha tecnologa, las aplicaciones son variadas. El hecho de poder refrigerar
o calentar una zona especfica y de reducido tamao, permite abrir una gran puerta a latermoelectricidad. Siendo uno de los aparatos ms utilizados para este fin, la ya mencionada
Celda de Peltier.
Es muy posible que a corto plazo las celdas de Peltier, mejoren sus caractersticas de
linealidad en su respuesta de temperatura, teniendo en cuenta que los semiconductores
mejoran constantemente, y con esto la posibilidad de mantener una temperatura idnea, en las
diferentes aplicaciones en las cuales son utilizadas dichas Celdas.
Sabemos que el efecto Peltier se caracteriza por la aparicin de una diferencia de temperaturas
entre las dos caras de un semiconductor cuando por l circula una corriente. Por lo que el
principal problema que posiblemente ocurra en este proyecto, ser que mientras una cara de la
Celda est enfriando, la otra est calentando, y por esta ltima cara se producir una
transferencia de calor hacia la cara fra, y debido a que la celda de Peltier basa su
funcionamiento en mantener constante una diferencia de temperatura entre las caras, se
necesitar cada vez proveer a la celda de una mayor potencia, para as mantener la
temperatura estable, llegando a un punto en la cual la celda exceda su mximo de potencia de
trabajo, producindose una sobrecarga, quedando inutilizada.
Debido a su pequeo tamao, y a la proximidad entre la cara que enfra, y la que calienta, toda
esta transferencia de calor ocurre en un lapsus de tiempo muy reducido, logrando solo por
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escasos segundos trabajar con la celda, y siendo prcticamente nula la posibilidad de
mantener constante la temperatura de la celda de peltier.
Por lo que, para que no ocurra lo anterior, se realizar un control de lazo cerrado para alimentar
la celda con energa, y si fuese necesario, buscar algn mtodo con el fin de disipar la
temperatura en la cara que est calentando en la Celda, para as disminuir la potencia
necesaria para enfriar la otra cara de la Celda.
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2.2) Definicin.
El efecto Peltier fue descubierto en Francia en 1834 por Charles Peltier, efectocontrario al efecto Seebeck, descubierto 13 aos antes por el fsico alemn Thomas Johann
Seebeck.
Este efecto se caracteriza por la aparicin de una diferencia de temperaturas entre las dos
caras de un semiconductor a partir de una diferencia de potencial. Una celda Peltier est
conformada por dos materiales semiconductores uno tipo P y otro tipo N. En uno de los
materiales "N" hay un flujo de electrones, mientras que en el tipo "P" hay un flujo de agujeros
que en su conjunto permiten absorber y extraer el calor de un lado al otro, al tener un lado N yotro P, Es decir se crea una diferencia de calor entre las dos caras de la celda debido a una
diferencia de voltaje entre ellas.
Una forma de entender el efecto Peltier es observar que los electrones se expanden cuando
fluyen de una zona de alta densidad, a una de baja densidad, al igual que lo hace un gas
cuando se enfra al pasar de un estado lquido de alta densidad, a uno gaseoso, de baja
densidad.
Cabe mencionar que al estar compuesta por materiales tipo N y otro P, se podra pensar que
se comporta como un Diodo, pero esto no es as, ya que hay flujo de corriente en ambos
sentidos, as como tambin, tampoco hay una cada de tensin fija a travs de la unin de los
semiconductores.
Internamente la Celda de Peltier posee elementos semiconductores altamente impurificados los
cuales desde aproximadamente 1960 se fabrican con Te3-Bi2(telurio 3 - bismuto 2) tipo-p, y con
Te3-Bi2 tipo-n. En vez de cables, son pequeos bloquecitos de 1 mm x 1 mm x 2 mm
conectados alternadamente en series, tipo N- tipo P tipo N tipo P - etc., y trmicamente en
paralelo, de modo tal que todas las uniones donde la corriente va del tipo P al Tipo N, los cuales
estn en contacto trmico con la misma cara del mdulo donde se liberar calor, y todas las
uniones donde la corriente va del tipo N al P, estn en contacto trmico con la otra cara, que
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absorber calor. Los electrones que se dirigen hacia el material tipo p, pierden energa en forma
de calor, mientras que para ir hacia el material tipo n, los electrones deben absorber calor.
Estos bloques compuestos por Telurio-bismuto estn dispuestos elctricamente en seriemediante conductores de cobre. Y, para aislar los conductores de cobre del disipador se agrega
entre ellos una placa de cermica que funciona como aislante, siendo en esta placa en la cual
se observar las diferencias de temperatura producidas en la mencionada Celda De Peltier.
En la siguiente imagen de pueden apreciar todas las etapas y componentes de la Celda de
Peltier.
Figura N1: Celda Peltier (diseo propio).
Las celdas de Peltier trabajan en base a una diferencia de temperatura entre sus caras, siendo
esta temperatura constante, conocida como T, por lo tanto a mayor voltaje o corriente en la
celda, tericamente mayor ser la diferencia de temperatura (T) entre sus caras, ya que a
mayor potencia en la Celda de Peltier, mayor ser la transferencia de calor de una cara a otra,
producindose el colapso de esta.
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2.3) Consideraciones.
Se deben tener en consideracin para esta investigacin los siguientes factores, como
es, la ecuacin de la refrigeracin, estableciendo los parmetros iniciales de trabajo,comprendiendo para este trabajo los parmetros de temperatura estarn entre los -10 C, y 80
C, considerando que la temperatura ambiente es un factor desfavorable, ya que el objetivo es
calentar sobre la temperatura ambiente, o enfriar bajo la temperatura ambiente
respectivamente.
Si se tiene encuentra que la energa no se pierde, sino que se transforma, se puede suponerque la energa en la celda debe estar en balance.
Figura N 2: radiacin de calor en la celda (dibujo propio).
Tambin es importante determinar la magnitud de la carga pasiva, ya que hay muchos factores
los cuales hay que tener en consideracin, siendo los ms importantes: por conduccin y por
conveccin.
Cabe aclarar que en el dibujo se refiere a (VxI) como la energa trmica contenida en el
material, ya que la principal funcin del la celda es convertir la potencia consumida en calor, por
lo tanto se desprende que la potencia consumida, es proporcional al calor que se genera en la
celda.
Hay que tener presenta las prdidas que se producen en la celda, siendo las mas importantes,
por conduccin y por conveccin
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Por conducc in: son las prdidas que se producen a travs de las paredes del material
empleado, como son: aislantes, estructuras, anclajes, entre otros, teniendo presente la siguiente
ecuacin:
Q = (DT x K x A)/ L
Donde:
Qes la cantidad de calor conducida.
DT es la diferencia de temperatura entre el ambiente y la carga o masa a refrigerar.
Kes la conductividad trmica del material.
Les el espesor del material.
Aes el rea total expuesta de toda la superficie en contacto.
a) Por Conv eccin:Son prdidas como resultado de la circulacin de corrientes trmicas,
se pueden calcular de la siguiente forma:
Q = h x A x DT
Donde:
Qes la cantidad de calor generada por conveccin (watts).
Hes el coeficiente de transmisin de calor, expresada en Watts/ mt. Cuadrado por C.
Aes la superficie expuesta (mt 2 x watts).
DTes la diferencia de temperatura entre la carga trmica y el ambiente C/watts
El motivo por el cual se detallan ambas formulas es para observar que, en ambas ecuaciones
hay que tener presenta la diferencia trmica entre la celda y el ambiente, est diferencia resulta
muy importante al momento de realizar pruebas en la celda, ya que a temperaturas ambientes
bajas, es ms rpida la estabilizacin de la celda a bajas temperaturas, es decir la tiempo de
estabilizacin de la celda, es proporcional a la temperatura ambiente.
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Uno de los mtodos ms sencillos para disminuir las cargas pasivas, es aislar las masas o
cargas lo mximo posible del ambiente, ya que, cuanto ms aisladas estn, menos perdidas
tendr el sistema.
Tambin hay que tener en cuenta que es necesario utilizar un radiador o disipador de calor, el
cual va a estar determinado por la potencia requerida por la Celda de Peltier.
Otro efecto a cons iderar es la con densacin pro duc ida en la celda de pelt ier,por lo cual
es necesario sellar los costados de la celda, para que as no se produzca un cortocircuito,
siendo el sellador ms comn y de bajo costo la silicona industrial.
Referente a lo antes mencionado, hay que tener presente que en la condensacin del agua segenera agua pu ra, y el agua pu ra es aislante, por lo que en un comienzo no debera
producirse conductividad, y por ende no debera haber cortocircuitos en la celda, pero con el
paso del tiempo se corre el riesgo de que depo siten sales minerales, y el agua se vuelva
conductora, por lo que bajo esas circunstancia si se producir conductividad, con sus
respectivas consecuencias en el circuito.
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2.4) Mtodos de estabilizar la temperatura en celdas peltier.
Se sabe que la Celda de Peltier, basa su funcionamiento en mantener constante una
diferencia de temperatura entre sus caras, conocida como T, esta diferencia de temperaturaest determinada en funcin de la corriente y voltaje aplicado, observndose sus respectivas
curvas de respuesta en las hojas de datos entregadas por cada fabricante.
El principal problema presente en la celda De Peltier, es debido a la transferencia de calor que
se produce desde la cara caliente a la cara fra, recordando que en todo momento se mantiene
un T constante, por este motivo ocurre que la cara fra es cada vez ms caliente, y con una
diferencia de temperatura (T )constante entre sus caras, la cara caliente va a aumentar su
temperatura, llegando a un punto donde la celda exceder el lmite mximo de temperatura detrabajo generando un sobrecalentamiento en sta, produciendo su respectiva inutilizacin. Cabe
mencionar que toda esta transferencia de calor de una cara a otra ocurre muy rpidamente, por
lo que es indispensable utilizar un disipador en una de las caras de la Celda de Peltier.
En cuanto al diseo del disipador, para mantener constante la temperatura de una de las caras
de la celda, se sabe que el clculo del tamao, forma, entre otras caractersticas, depende de la
temperatura que se quiere controlar, y siendo esta temperatura constantemente variada, no
teniendo claro un valor exacto para esta, por lo que se hace imposible calcular un disipador
para estabilizar la temperatura en la Celda. Debido a que el rango de temperatura en el cual se
va a trabajar es -20 C a 70 C, se optar por utilizar un disipador comercial estndar, el mismo
utilizado en el control de temperatura de las CPU.
Cabe mencionar que uno de los motivos por los cuales no se trabajar con un disipador
calculado especialmente para la celda, es debido a que el objetivo principal de esta
investigacin es estabilizar la temperatura en la Celda de Peltier por medio de un control PID,
siendo el disipador de temperatura solo una proteccin para el sobre calentamiento de la celda
de peltier.
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2.5) Disipador a utilizar.
Quedando claro anteriormente que el disipador es solo una medida de proteccin para el sobre
calentamiento en la Celda de Peltier, siendo el control PID, el mtodo principal para estabilizarla temperatura, la idea es que el trabajo de estabilizacin de la celda De Peltier sea realizado
por el control PID, y no por disipador, ya que este ultimo vara segn la temperatura con la que
se quiera trabajar, motivo por el cual se obviara el clculo del disipador, y se utilizar un
disipador comercial.
Despus de buscar en el comercio las diferentes alternativas de disipadores para procesadores,
se opt por utilizar un disipador para Socket 370/462, se eligi este disipador por que cubre el
rea deseada de contacto con la Celda, y a la vez es uno de los ms econmicos en elmercado.
Modelo: CP5-6J31C-99.
Fabricante: Cooler Master.
Socket 370/462 (diseado idealmente para procesadores SEMPRON).
Disipador: Aluminio con base de cobre
Velocidad: 4200 rpm.
(Imagen N1, obtenida de www.compustore.cl/disipadores).
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2.6) Mediciones y pruebas con la celda.
La celda a utilizar es el modelo ZXS TEC1-12706, que se muestra a continuacin:
(Imagen N2, obtenida de www.electronicash.com)
Sus caractersticas principales son:
(Cuadro N1, Extrado de datasheet adjunto Celda ZXS TEC1-12706).
Celda que no se recomienda exceder los 12 Volt de polarizacin, y 6 Amperes de
corriente, o bien no exceder nunca su potencia mxima de 91.2 Watts.
Una de las principales ventajas de esta celda es que viene completamente aislada contra
humedad, (se debe recordar que en la cara fra a temperaturas muy bajas, se produce
condensacin de la humedad, es decir: hielo, lo cual puede afectar la conductividad en dicha
celda).
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Curvas caractersticas de la Celda de Peltier, TEC1-12706:
(Cuadro N2, Extrado de datasheet adjunto Celda ZXS TEC1-12706).Donde:
Delta T: es la diferencia de temperatura entre ambas caras de la celda de peltier.
Qc : Potencia disipada por la Celda De Peltier (V*I).
Th : Es la diferencia trmica entre la cara caliente de la Celda y el ambiente.
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A continuacin se realizaran pruebas de laboratorio con la celda de peltier, para as medir, el
voltaje aplicado, la corriente que circula por la celda, y la temperatura en cada cara. Estas
pruebas se realizarn con disipador ya que sin este sera imposible medirla debido a su rpida
variacin.
Voltaje Corriente Temperatura Cara fra Temperatura Cara Caliente
1 (V) 0.5 A 16 C 68 C
2 (V) 1 A 14,2 C 65,8 C
3 (V) 1,7 A 11,3 C 62,7 C
4 (V) 2 A 7.5 C 59,3 C
5 (V) 2.5 A 4 C 57 C(Cuadro N3, medidas obtenidas en el proyecto).
A continuacin se muestra una imagen de la celda, con su respectivo disipador:
(Imagen N3, fotografa del proyecto).
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Captulo III
Sistema Embebido TS-7400.
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3.1) Introduccin:
El sistema embebido TS-7400 es un pequeo modulo integrado (7,4 centmetros x 12
centmetros), el cual tiene las mismas caractersticas de un computador convencional. Estdiseado con el fin de proporcionar un alto rendimiento en aplicaciones que requieren alta
fiabilidad, y sobre todo un arranque rpido (boteo en 1,8 seg). Incluye una cabecera de 40 pines
y otra de 26 pines, las cuales incorporan variadas interfaces, incorporando audio, puertos de
I/O, y puertos A/D, entre otras.
Todo esto es posible gracias a que utiliza el procesador ARM9, modelo EP9302, de 200 Mhz, el
cual consume aproximadamente 2 Watts, siendo esta baja potencia consumida una de las
principales caractersticas del sistema, sin la necesidad de requerir ventilacin, o disipador decalor para realizar su trabajo. As mismo, para proteger este sistema cuando el procesador
trabaja a temperaturas superiores a los 85C, baja su velocidad de trabajo a 166Mhz.
En torno a este procesador se construye todo un sistema altamente integrado, el cual est
compuesto por un chip de 10/100 Ethernet, puertos USB, puertos seriales, y almacenamiento
de la informacin en una tarjeta SD, con la posibilidad de conectar una memoria flash USB en
uno de los puertos USB disponibles para que cumpla la misma funcin que la tarjeta SD.
(TS-7400, vista superior)
(Imagen N 4, extrada de www.embeddedARM.com).
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A diferencia de otros productos ARM, el TS-7400 no trabaja independientemente para
su puesta en marcha y funcionamiento, ya que requiere el sistema TS-9441, el cual es una
placa (hardware), compuesta por mltiples chips, que realizan la funcin de interactuar o
conectar perifricos de entrada o salida, para as configurar y establecer la puesta en marchadel sistema. Debido a su alto costo, y a que solo se utilizarn algunas de sus funciones, se
proceder a la construccin de un nuevo sistema de hardware para interactuar con el sistema
embebido TS-7400, agregando una mayor cantidad de aplicaciones, e incorporando
reguladores y conversores de voltajes, no descartando modificar o intervenir el sistema
embebido TS-7400.
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3.2) Caractersticas del Sistema Operativo:
Todos los productos ARM utilizan una distribucin de Linux Deban, las cuales (en sus
diferentes versiones) suelen tener un compilado ms liviano, para que as el boteo se realicems rpido, llegando a arrancar el sistema en 1.1 segundos, en su versin ms liviana. La idea
de utilizar una compilacin de Linux ms liviana, como es Deban, es que esta permite un boteo
rpida y con flexibilidad en cuanto a opciones de arranque, como son tarjetas SD, UBS flash,
NFS (network File Sistem), entre otras posibilidades.
Technologic Systems, fabricante del Sistema Embebido TS-7400, proporciona en su sitio web,
las versiones de software libre disponibles, as como tambin las actualizaciones, y
documentaciones del sistema. Cabe mencionar que tambin se puede recurrir gratuitamente asoporte tcnico, ya sea por telfono, fax, o correo electrnico.
Se trabajar con el Sistema Operativo, Linux kernel, versin 2.4.26, este sistema operativo para
la TS-7400, soporta RTAI(Real Time Application Interface) Interface para Aplicaciones en
Tiempo Real. Es una implementacin de Linux para tiempo real, proporcionando la capacidad
de hacerla completamente preempatable (proc eso s de ncleo s e ejecuten c on mxim a
pr ior idad de forma que puedan inter rump ir a procesos de menor pr ior idad). RTAI aade
un pequeo ncleo Linux de tiempo real bajo el ncleo estndar de Linux y trata al ncleo Linux
como una tarea de menor prioridad. y adems proporciona una amplia seleccin de
mecanismos de comunicacin entre procesos y otros servicios de tiempo real.
Cabe mencionar que el TS-7400 se puede cargar con otros sistemas operativos, como NetBSD.
Este es un sistema operativo de la familia Unix (Sistema Operativo portable, multitarea y
multiusuario), de cdigo abierto y libre. Su diseo y sus caractersticas avanzadas lo hacen
ideal para gran variedad de aplicaciones. NetBSD ha surgido como resultado del esfuerzo de un
gran nmero de personas que tienen como objetivo producir un sistema operativo tipo Unix
accesible y libremente distribuible.
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3.3) Componentes de Hardware del ts-7400:
El procesadoropera con un voltaje de 1.8 volts, mientras que sus perifricos de entrada
y salida funcionan a 3.3 Volts, consumiendo una potencia comprendida entre los 100mW y 750mW, dependiendo de la velocidad de trabajo del sistema, este procesador es capaz de soportar
sistemas operativos de alto nivel, tales como Linux, netBSD, Windows CE, siendo este ltimo el
menos utilizado, ya que en la actualidad no presenta soporte, ni actualizaciones de sus libreras.
Como se ha mencionado anteriormente el Sistema Embebido TS-7400, presenta 20 pines
GPIO(perifricos de propsito general), los cuales se pueden configurar individualmente, estos
se pueden configurar como una entrada flotante (de alta impedancia) o como una salida de un 0
1 de seal lgica. Cuando se configura uno de estos perifricos como entrada la tensinumbral que soporta es de 3.3 Volts LCVMOS (tecnologa de baja tensin), pero con 400mV de
histresis (3.3V +/- 0.4 V). Estos pines de propsito general presentan disparadores Schmitt
Trigger, los cuales cambian su estado cuando la tensin de salida sobrepasa un determinado
nivel de voltaje, el Schmitt Trigger no es ms que un amplificador operacional sin
realimentacin. Como salida los pines GPIO pueden conducir como mximo 8 mA, si se quiere
sobrepasar esta corriente se va a producir una cada en el voltaje de salida de los pines GPIO.
Se debe tener en cuenta que el Sistema embebido no soporta voltajes sobre los 3.3 Volts, por lo
cual no es compatible con la lgica 5V CMOS, por lo que es necesario adaptar los voltajes si se
quiere trabajar con la lgica CMOS (Para ms informacin consultar el manual de usuario
adjunto a este proyecto).
En cuanto a los conversores A/Dcabe mencionar que el procesador EP9302 cuenta con 5
canales A/D, estando disponibles solo 4 canales A/D en las cabeceras del Sistema Embebido,
de 12 Bits, con un rango de entrada de 0 a 3.3V, permitiendo realizar 925 muestras por
segundo en cada convertidor A/D.
Para mantener la precisin de 12 Bits la seal de entrada al conversor debe tener una
impedancia baja, menor a 10, en este proyecto se utilizar un circuito amplificador
configurado en seguidor, para as amortiguar la seal que llegar al convertidor A/D.
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El conector USB del TS-7400 proporciona dos interfaces USB para el usuario. Estas
estn directamente conectadas al procesador EP9302, que integra un doble puerto USB,
proporcionando una velocidad serie de comunicacin de 12 Mbits/seg. Hasta 127 dispositivos
USB (impresora, mouse, cmara, teclado, etc.) y hubs USB, pueden ser conectados al hostUSB en el USB utilizando la topologa de estrella.
Este puerto USB incluye las siguientes caractersticas:
Compatible con USB 2.0.
Conexiones USB del dispositivo de apoyo, tanto a baja velocidad (1,5 Mbps) con una
mxima velocidad de 12 Mbps.Transmisor buffer (receptor) integrado.
Funciona como maestro en el bus.
El zcalo o conexin de la tarjeta SD(conector ALPS) en la parte trasera de la TS-7400.
El ncleo de hardware implementado por Technologic Systems est integrado dentro de la
placa CPLD. Technologic Systems ha escrito un modulo de controlador binario de Linux y un
conjunto de genricos, rutinas leer/escribir del sistema operativo independiente para acceder ala SD flash dentro de un archivo.
Lo ms im portan te y q ue se d ebe record ar es qu e la TS-7400 sop orta como mxim o
tar jetas SD de 2 GB .
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Dentro de los componentes de hardware encontramos la Cabecera Superior Upper header, y
la Cabecera Inferior Lower header, las cuales permiten extraer las conexiones: Ethernet
10/100, puertos host USB, flash SD, 20 Pines GPIO, conversores A/D, audio, entre otros.
(Figura N 3, Cabecera superior, e inferior; imagen extrada del manual de la TS-7400)
La combinacin de estas dos cabeceras proporcionan las siguientes funcionalidades:
1. Puertos USB 2.0 (12 Mb/s) y, puertos SPI de alta velocidad (hasta 14.7 Mhz).
2. Tres puertos seriales UART, de niveles TTL, siendo uno de estos con salida RS485,
el cual es un sistema en bus de transmisin, el cual puede transmitir a altas
velocidades sobre distancias de hasta 1.200 metros, donde el medio fsico detransmisin es un par entrelazado que admite hasta 32 estaciones en 1 solo hilo,
operando entre 300 y 19.200 bps y la comunicacin half-duplex.
3. Cuatro conversores A/D de 12 bits, con niveles de voltaje de entrada comprendidos
entre los 0 y 3.3 Volts.
4. Veinte GPIO, perifricos de propsito general, bidireccionales, los cuales presentan
disparadores Schmitt.
5. Reguladores de voltaje, de 1.8 Volts, 3.3 Volts y 5 volts.
6. Interfaz de audio I2c/AC97.
7. Entrada de reset externo.
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Cabecera Superior (Upper header).
En la cabecera superior hay muchos pines que solo son utilizados por el fabricante del
producto, para una mejor compresin de estos se pueden apreciar de color gris, as como
tambin los que en un comienzo se utilizarn para crear nuestro propia versin de la TS-9441
estn de color amarillo, los que se encuentran sin color aun estn por definirse su utilizacin, a
continuacin se detallan cada uno de los pines de la cabecera superior:
(cuadro N4, extrado del manual de la TS-7400)
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Cabecera inferior (Lower header).
En la cabecera inferior se encuentran todos los perifricos de propsito general (GPIO),
ascomo tambin los conversores A/D, salida de audio AC97, entre otras, para esta etapa nose va a diferenciar por medio de colores los pines a utilizar, ya que en la cabecera inferior se
tendr la posibilidad de utilizar todos los pines, debido a que ninguno se encuentra reservado
para uso exclusivo del fabricante, como era el caso anterior, los pines de la cabecera inferior los
detallaremos a continuacin:
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(Cuadro N5, extrado del manual de la TS-7400)
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3.4) Proceso de arranque:
Como es sabido, antes de iniciar el proceso de arranque se debe tomar las medidas de
precaucin necesarias, como es la correcta manipulacin de la placa, asegurndose de tomarlas medidas para evitar descargas electrostticas que pudieran daar el sistema, as como
tambin desconectar la fuente de alimentacin antes de realizar el cableado, o cualquier otro
procedimiento.
Anteriormente se mencion que para realizar el proceso de arranque es necesario el TS-9441,
para comunicar perifricos, en este caso es necesario realizar la comunicacin con una terminal
externa, es decir un ordenador. Debido al costo del TS-9441, se proceder a la construccin de
una terminal similar para lograr la comunicacin con los perifricos que se necesiten.
Para la construccin de la terminal de comunicacin de perifricos, se analizar y trabajar por
separado cada una de las etapas de comunicacin que se requieran, para ello se debe tener
presente que el sistema embebido TS-7400 cuenta con una cabecera de 40 pines y otra de 26
pines de donde se obtendrn los puertos, o perifricos necesarios para la comunicacin, ya que
la TS-7400 cuenta con UART TTL, por lo que se deber convertir los niveles de voltaje a RS-
232, y conectarlo a un ordenador por medio de un conector DB9. A continuacin se analizara el
diseo para comunicar al TS-7400, con un ordenador (computador):
(Figura N4, rs-232; Creacin propia).
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Una vez realizado el circuito anterior, se proceder a conectar dicho circuito con un ordenador,
especficamente con el puerto serie del ordenador, este caso se trabajar con un computador
porttil, el cual no tiene puerto serie RS-232, por lo que se utilizar un convertidor estndar de
USB a RS-232.
Una vez conectada la TS-7400 con el ordenador porttil, se proceder a utilizar un programa
terminal, en este caso se utilizar Hyperterminal (si se desea trabajar con Linux se podra
utilizar el programa MiniCom GtkTerm), para ello se debe configurar los parmetros para
realizar el encabezado, utilizando los parmetros series de:
- 115.200 baudios.
- 8 bits de datos.- Sin paridad.
- Sin control de flujo.
- 1 bit de parada (8N1).
Definiendo los parmetros antes mencionados, se puede establecer la comunicacin con la TS-
7400, la cual segn el fabricante botea en 1,1 segundos utilizando la versin de Linux-Kernel
2.4.26.
Despus o luego del prendido, se desplegar en el ordenador las siguientes lneas de
comandos:
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En este punto, si se escribiera exit desde la consola que se est utilizando, se intentar un
completo arranque de Linux desde la tarjeta SD en la particin #3. Si la tarjeta SD no est
presente el Sistema de ficheros ext2 no pasa una prueba de errores. Esta versin de Linux,
llamada TS-Linux, contiene Apache, SSH, PPP, y el servidor FTP y muchos otros servicioscomunes y bibliotecas y es idntica a la distribucin instalada por defecto en la lnea del TS-
7400.
Para arrancar automticamente d esde el com ando a bord o de f lash es:
ln -sf /linuxrc-mtdroot /linuxrc; save.
Para arrancar automticamente d esde el USB flash o d isco dur o USB:
ln -sf /linuxrc-usbroot /linuxrc; save.
El "/linuxrc" archivo es un script, el cual es lo primero que dirige el kernel cuando se ejecuta,en el arranque o inicio.
Estos scripts fueron diseados para ser tan rpido y sencillo como sea posible
(aproximadamente 45 lneas de cdigo) para facilitar modificaciones personalizadas o del
cliente. Esto se debe a que se est anticipando, a que este script pueden ser modificado por
defecto, para implementar tareas o programas determinados por el usuario, tales como las
configuraciones de copia de seguridad o configuraciones posteriores, actualizaciones de campo
del software, el arranque condicional/ verificacin de tarjetas SD, etc.
En este trabajo se utilizar una versin de Kernel ms actualizada y completa, la cual inicia en
1.84Segundos.
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Captulo IV
Sensor de temperatura.
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4.1 Introduccin.
Los sensores de temperatura se utilizan para variados propsitos, como el control de
sistemas de refrigeracin, laboratorios, procesos automotrices, siendo generalmente utilizadosen procesos industriales. La medida de la temperatura ocurre tpicamente en lquidos o a travs
de contacto con la superficie. La medida del contacto no se requiere siempre, sin embargo
existen en el mercado los sensores que pueden hacer una medida de calor sin contacto fsico.
Esto se hace normalmente con el uso de la tecnologa infrarroja.
Cuando selecciona un sensor existen una gran cantidad de consideraciones que se deben tener
en cuenta, siendo este proceso de seleccin una toma de difcil decisin. Se sabe que el sensor
debe ser capaz de medir una gran gama de temperaturas con el mnimo error posible, as comotambin la velocidad de respuesta de ste. En consideracin a lo anteriormente sealado, cabe
decir que los sensores presentes en el mercado, generalmente no compatibilizan velocidad de
respuesta, con presin, por lo cual es necesario buscar un sensor que se adapte a las
necesidades de esta investigacin, es decir sacrificar velocidad a expensas de la precisin.
Para tener ms claro que se quiere medir, cabe definir lo que es temperatura, as como los
parmetros que se tienen en consideracin para su graduacin o medida, definiendo de esta
forma, la temperatura como una medida de la intensidad del calor.
El desarrollo de tcnicas para la medicin de la temperatura ha pasado por un largo proceso
histrico, ya que es necesario darle un valor numrico a una idea intuitiva como es lo fro o lo
caliente. Multitud de propiedades fisicoqumicas de los materiales o las sustancias varan en
funcin de la temperatura a la que se encuentran, como por ejemplo su estado (slido, lquido,
gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presin de vapor, su color o la conductividad
elctrica.
Como ya se mencion, la temperatura se mide con sensores, los cuales pueden ser calibrados
de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medicin de la temperatura.
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En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala
correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al
"cero absoluto", y se grada con un tamao de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo,
fuera del mbito cientfico, el uso de otras escalas de temperatura son comunes.
La unidad de base es el Kelvin con la abreviatura K. Kelvin es la 273,16ta parte de la
temperatura termodinmica del punto triple del agua pura. El punto triple (=273,16 K) describe
el estado del agua en el cual tres fases (slido, lquido y gaseoso) existen en equilibrio.
Conversiones:
Kelvin a grados centgrados
Frmula T[K] = T-273,15 [C]
Ejemplo 250 K = (250 - 273,15)C = -23,15C
Un sensor de temperatura garantiza una salida continua en funcin de la temperatura real del
sistema, lo que permite controlar por completo cualquier proceso.
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4.2 Tipos de Sensores.
Los sensores de temperatura se pueden clasificar segn su tipo, funcionamiento, osegn el material por el cual estn construidos, siendo el material ms utilizados el platino. A
Continuacin se clasifican los sensores segn el tipo, siendo los siguientes:
Sensores de Temperatura en 5 tipos:
4.2.1 Termopar.
4.2.2 RTD.
4.2.3 Termistores NTC, y PTC.4.2.4 Bimetal.
4.2.5 Integrados (diodos, o transistores).
4.2.1. Termopar: Es un dispositivo formado por la unin de dos metales distintos que produce
un voltaje (efecto Seebeck), que es funcin de la diferencia de temperaturaentre uno de los
extremos denominado "punto caliente" o unin caliente o de medida y el otro denominado
"punto fro" o unin fra o de referencia.
Son econmicos, intercambiables, tienen conectores estndar y son capaces de medir
un amplio rango de temperaturas. Su principal limitacin es la exactitud ya que los errores del
sistema inferiores a un grado Celsius son difciles de obtener.
Ventajas de los sensores termopar:
Autoalimentado.
Robusto.
Econmico.
Amplia variedad de formas fsicas.
Amplia gama de temperaturas.
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Desventajas de los sensores Termopar:
Falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares.
Problemas de Conexin (contacto entre los 2 metales). Resistencia de la Gua (resistencia de los cables)
Descalibracin (por impurezas en el metal, as como tambin al trabajar con altas
temperaturas se debe revisar constantemente el aislante de este).
Ruido (la salida del termopar es una baja tensin, por lo que es ms susceptible al
ruido).
4.2.2. RTD (Resistance Temperature Detector)son sensores de temperatura basados en la
variacin de la resistencia de un conductor con la temperatura. Al calentarse un metal habruna mayor agitacin trmica, dispersndose ms los electrones y reducindose su velocidad
media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitacin, y mayor resistencia.
Por lo general, la variacin de la resistencia es bastante lineal en mrgenes amplios de
temperatura. Los materiales empleados para la construccin de sensores RTD suelen ser
conductores tales como el cobre, el nquel o el platino, siendo uno de los ms conocidos y
utilizados el PT100, el cual lleva este nombre ya que presenta una resistencia de 100 ohm, a 0
C.
Ventajas de los Sensores RTD:
Margen de temperatura bastante amplio.
Proporciona las medidas de temperatura con mayor exactitud y repetitividad.
El valor de resistencia del sensor RTD puede ser ajustado con gran exactitud por el
fabricante (trimming), de manera que su tolerancia sea mnima. Adems, ste ser
bastante estable con el tiempo.
Los sensores RTD son los ms estables en el tiempo, presentando variaciones por
desgaste de 0.1 C/ao.
La relacin entre la temperatura y la resistencia es la ms lineal.
Los sensores RTD tienen una sensibilidad mayor que los termopares. La tensin debida
a cambios de temperatura puede ser unas diez veces mayor.
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La existencia de curvas de calibracin estndar para los distintos tipos de sensores RTD
(segn el material conductor, R0y ), facilita la posibilidad de intercambiar sensores entre
distintos fabricantes.
A diferencia de los termopares, no son necesarios cables de interconexin especiales ni
compensacin de la unin de referencia.
Desventajas de los sensores RTD:
Dado que el platino, y el resto de materiales conductores tienen una resistividad muy
baja, para conseguir un valor significativo de resistencia ser necesario devanar un hilode conductor bastante largo, por lo que, sumando el elevado costo de estos materiales,
el costo de un sensor RTD ser mayor que el de un termopar o un termistor.
El tamao y la masa de un sensor RTD ser tambin mayor que el de un termopar o un
termistor, limitando adems su velocidad de reaccin.
Los sensores RTD se ven afectados por el auto calentamiento.
Los sensores RTD no son tan durables como los termopares ante vibraciones, golpes,
etc.
No tener en cuenta la resistencia de los hilos de interconexin puede suponer un grave
error de medida.(Efecto de la resistencia de los hilos de interconexin).
En definitiva, los sensores RTD son los ms apropiados para aplicaciones en las que la
exactitud de la medida es crtica mientras que la velocidad y el coste son menos
importantes.
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4.2.3. Termistores NTC, y PTC:
Estos dispositivos semiconductores son muy usados en la prctica para medir
temperaturas por su bajo costo y sensibilidad. La propiedad termomtrica de los mismos es laresistencia elctrica. Sin embargo la dependencia con la temperatura no es simple, ya que no
presenta una respuesta lineal.
Su funcionamiento se basa en la variacin de la resistencia de un semiconductor con la
temperatura. Para los termistores NTC (Negative Temperature Coefficient), al aumentar la
temperatura, aumentar tambin la concentracin de portadores, por lo que la resistencia ser
menor, de ah que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC(Positive Temperature
Coefficient), en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, ste adquirirpropiedades metlicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado.
Usualmente, los termistores se fabrican a partir de xidos semiconductores, tales como el xido
frrico, el xido de nquel, o el xido de cobalto.
Sin embargo, a diferencia de los sensores RTD, la variacin de la resistencia con la
temperatura es no lineal. Para pequeos incrementos de temperatura, se darn grandes
incrementos de resistencia. Por ejemplo, el siguiente modelo caracteriza la relacin entre la
temperatura y la resistencia mediante dos parmetros:
, con
Donde:
RTes la resistencia del termistor NTC a la temperatura T(K)
R0es la resistencia del termistor NTC a la temperatura de referencia T0(K)
Bes la temperatura caracterstica del material, entre 2000 Ky 5000 K
El error de este modelo en el margen de 0 a 50 C es del orden de 0.5 C. Existen modelos
ms sofisticados con un mayor nmero de parmetros que dan un error de aproximacin an
menor.
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Ventajas de los Termistores:
Este Sensor es muy sensible y el tiempo de reaccin de este es bajo, debido a la alta
resistividad que presenta, y a la no-linealidad de respuesta.
Dada la alta resistividad de los materiales empleados, es posible disponer de termistores
de tamao reducido.
La sensibilidad de un termistor puede ser bastante elevada, con grandes variaciones de
resistencia ante pequeas variaciones de temperatura.
Desventajas de los Termistores:
El margen de funcionamiento de un termistor es pequeo, generalmente entre los -15 C
y los 115, pudiendo ser ms alto a un costo ms elevado.
La variacin de la resistencia con la temperatura para un termistor no es lineal, por lo
cual es ms difcil definir las temperaturas a medir.
Debido a su pequeo tamao los Termistores son las susceptibles a auto calentamiento,
produciendo errores en la medida.
Para los termistores no hay disponibles curvas de calibracin estndar, variando estas
para cada fabricante.
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4.2.4 Sensores Bimetales:
Estos sensores estn compuestos por dos o ms metales ensamblados. Estos objetos
bimetlicos consisten en capas de diversos metales, que presentan distintos coeficientes dedilatacin trmica.
Uno de los sensores Bimetlicos ms utilizados son los termostatos, que convierten un
cambio de temperatura en un movimiento mecnico, y pueden estar diseados en discos o tiras
metlicas. Estn compuestos por dos capas de metales con diferentes coeficientes trmicos de
expansin, por lo que al variar la temperatura tiende a flexionarse hacia el lado de menor
coeficiente de expansin. Esta disposicin es utilizada disminuye la corriente que circula por el
mismo bimetal, lo calienta y hace que se abra al circuito limitando la corriente mxima.
El mayor inconveniente de ste es que, solo presenta dos estados, abierto, o
cerrado, no pudiendo establecerse una medida de temperatura para ste, por lo que no es
el ms ptimo para esta investigacin.
Como se mencion, la principal desventaja es que solo presenta dos estados, on-off, no
se puede medir la temperatura, solo se activa, o desactiva al pasar una cierta temperatura
definida por el fabricante.
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4.2.5 Sensores Integrados:
Existen gran nmero de fabricantes que producen variados circuitos integrados, los
cuales son muy adecuados para medir temperaturas. Estos circuitos son utilizadosgeneralmente para medir temperaturas cuando se usa un sistema de toma de datos, los cuales
pueden estar conectados en una computadora. Estos circuitos, por lo general tienen tres pines:
tierra, alimentacin (Vc entre 5 a 15V) y una salida. Estos circuitos producen una seal muy
lineal y calibrada. Por lo general producen ente 1 y 10 mV/K. Existen integrados con
calibraciones para diversos sistemas de unidades. El rango usual de estos termmetros se
encuentran normalmente entre los -10C y 120C.
Existen una amplia variedad de circuitos integrados los cuales son sensores detemperatura, estos sensores se agrupan en cinco categoras principales:
Salida de voltaje(LM35, trabaja en base a un diodo).
Salida de corriente(AD590, trabaja en base a transistores).
Salida de resistencia(gran variedad, menos masificados).
Salida digital(LM56, termostato electrnico, de 2 salidas).
Diodos trata de diodos diseados especialmente para medicin de temperatura).
Estos sensores integrados, son de bajo costo, hay gran variedad en el mercado, y
generalmente se pueden calibrar fcilmente, con un error de aproximadamente 0.5 C.
Ventajas de los Sensores Integrados:
Linealidad.
Fcil Calibracin.
Bajo Costo
Trabajan con rangos de voltajes, los cuales permiten fcil interaccin con otros
dispositivos.
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4.3) Seleccin del Sensor.
En el tem anterior se dieron a conocer los diferentes tipos de sensores presentes en el
mercado, y despus de analizar cada uno de los diferentes sensores presentes en el mercado,se optar por sensores de temperatura integrados. A continuacin se darn a conocer los
sensores integrados presente en el mercado, mostrando algunas de sus principales
caractersticas como son: rangos de temperatura, error en la lectura, tipo de encapsulado, y el
tipo de salida, con su respectiva resolucin.
Los siguientes sensores de temperatura cumplen los requisitos de Rango de
temperatura deseados (-10 C a 80 C), con el tipo de encapsulado que se busca, como es el
TO-92, TO-46, SO-8, bien el SOT-23, y adems la salida deseada (mV/C).
Integrados con salida de voltaje:
Sensor Fabricante SalidaTolerancia
(rango)Cpsula Comentarios
AD22100Analog
Devices
22,5mV/C a 5V
250mV offset
2C y
4C
(-50 a+150C)
TO-92
SO-8
Salida proporcional a la
alimentacin - ideal para
ADC del mismo estilo
LM335
National
Semi,Linear
Tech
10mV/K o
10mV/C
1C a
3C
-40C a
100C)
TO-92
TO-46
Opera como un Zener con
entrada para ajuste de
escala, 400A a 5 mA.
LM34 National Semi 10mV/F
3F y 4F
(-20C a
120C)
TO-46
TO-92
SO-8
Necesita una fuente
negativa para
temperaturas < -5C
LM35National Semi 10mV/C
1C y
1,5C
(-20C a
120C)
TO-46
TO-92
SO-8
Necesita una fuente
negativa para
temperaturas < 10C
http://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/lineartechnology/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtml -
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LM45 National Semi 10mV/C
500mV offset
1C y
1,5C
(-20C a
120C)
TO-46
TO-92
SO-8
LM35 con histresis de
salida 500mV
LM50 National Semi 10mV/C
500mV offset
3C y
4C
(-40C a
125C)
TO-46
TO-92
SO-8
Bajo costo, corrimiento
500mV, fcil de usar
LM60 National Semi 6,24 mV offset
3C y
4C
(-40C a
125C)
SOT-23Acepta alimentacin
inferior a 2,7V
S-8110
S-8120
Seiko
Instruments
-8,5 mV/C
(nota neg. TC)
2,5C y
5C
(-40C a
100C)
SOT-23 Corriente de operacin
muy baja: 10A
TMP36Analog
Devices
10 mV/C
500 mV offset
3C 4C
(-40C a
125C)
TO-92
SO-8
SOT-23
Similar a LM50 con
apagado aut. (no en TO-
92)
FM20 Fairchild -11,77 mV/C
5C
-55C a
130C
SOT23 Bajo consumo
FM50 Fairchild 10 mV/C
3C
-40C a
125C
SOT23 Similar al LM50
(Figura N6, integrados con salida de voltaje).
http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.sii-ic.com/en/product.htmlhttp://www.sii-ic.com/en/product.htmlhttp://www.sii-ic.com/en/product.htmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.sii-ic.com/en/product.htmlhttp://www.sii-ic.com/en/product.htmlhttp://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/ -
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Integrados con salida de Corriente:
Sensor Fabricante SalidaTolerancia
(rango)Cpsula Comentarios
AD590 Analog Devices 1A/K5,5C y 10C
(-55C a +150C)TO-52
considerar las
corrientes de prdida
del cable
AD592 Analog Devices 1A/K1C y 3,5C
(-25C a +105C)TO-92
Un AD590 ms
preciso
TMP17 Analog Devices 1A/K4C
(-40C a +105C)SO-8
Un AD590
trmicamente ms
rpido
LM134
LM234
LM334
National Semi Programable
0,1A/K a 4A/K
3C y 20C
(-25C a +100C)
TO-46
TO-92
Con calibracin
puede ser efectivo
(cuadro N 7, integrados con salida de corriente).
Integrados con salida digital:
Sensor Fabricante Salida Tolerancia(rango)
Cpsula Comentarios
LM95071 National Semi 14 bit SPI2C
(-45C a 150C)SOT-5
Alta resolucin
(0,03C)
opera con 2,4-5,5V
LM56 National Semi
2 comparadores
con umbral
definible
3C y 4C
(-40C a 125C)
SOP-8
MSOP-8
Termostato con dos
salidas con histresis
LM75 National Semi
I2C Serie,
Resolucin 9 bit
o 0,5C
3C
(-55C a
+125C)
SOP-8
MSOP-8
Conexin
direccionable mltiple.
Especial para
sistemas embebidos
http://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtmlhttp://www.datasheetcatalog.com/analogdevices/1.shtml -
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DS1620
DS1621
National Semi
serie 2 o 3
cables,
resolucin0,5C
0.5C
(0C a 70C)
5C(-55C a 125C)
SOP-8
DIP-8
Adems tiene salidas
de termostado
programadas
digitalmente.Resolucin posible
0,03C
DS1820 Dallas
Serie de 1 cable
Resolucin
0,5C
0,5C
(0C a 70C)
5C
(-55C a 125C)
TO-92
modificada
SSOP-16
Buena tolerancia sin
calibrar, rango mayor
a 0-70C.
DS1821 DallasSerie de 1 cable
Resolution 1C
1C
(0C a 70C)
2C
(-55C a 125C)
TO-92
modificada
TO-220
SO-8
Tiene un modo de
termostato
TCN75 Telcom Semi
Serie I2C,
Resolucin 9 bit
o 0,5C
3C
(-55C a
+125C)
DIP-8
SOP-8
TSSOP-8
Reemplazo del LM75
FM75 Fairchild
SMBus
Resolucin 12bit / 0,07C
4C
-40C a 125C MSOP8
Resolucin variable,
salida con umbral
(Cuadro N8, integrado con salida digital).
Como se puede ver, se seleccion un sensor integrado, con salida de voltaje, de
corriente y digital. Esta seleccin se realiz basndose en el menor rango de error del
integrado, dando como resultado el LM335, AD592, DS1820. Estos tres integrados se
encuentran ampliamente presentes en el mercado, despus de analizar las hojas de datos de
los fabricantes, se puede mencionar que se descarta la utilizacin el DS1820, ya que puedellegar a un tiempo de conversin de cada muestra de 750 mS, lo cual no es admisible para
realizar un control PID, ya que la temperatura est variando constantemente, lo cual retrasara
el tiempo de respuesta del circuito. Por la cual queda como eleccin el sensor LM335 y el
AD592.
http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/telcomsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/telcomsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/fairchildsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/telcomsemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/dallassemiconductor/1/http://www.datasheetcatalog.com/nationalsemiconductor/1/ -
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Debido a que los valores comerciales de ambos son prcticamente similares, (con el
encapsulado TO-92), se optar por un encapsulado metlico, ya que la transferencia de
calor es mayor, acortando el tiempo de respuesta y de medicin del integrado, siendo la
eleccin para este proyecto elLM335H, con encapsulado TO-46.A continuacin se muestran alguna de sus principales caractersticas (para ms informacin,
consultar hoja de datos adjunta, en anexos).
Precisin en la temperatura:
(Cuadro N9, extrado de datasheet del LM335H).
Parmetros elctricos:
(Cuadro N10, extrado de datasheet del LM335H).
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4.4) Conexin del Sensor a la TS-7400.
Como se mencion en el captulo anterior, la TS-7400 presenta una cabecera del 26
pines, y una de 40 pines. El procesador EP9302 incorpora 5 conversores A/D, estando solo 4conversores A/D disponibles en la cabecera de 40 pines.
Se debe tener presente que estos conversores A/D, se pueden trabajar con una precisin de
12 Bits, para lo cual es necesario la seal analgica que entra a este conversor para que tenga
una impedancia menor a 10 Ohm. El conversor A/D desarrollado por Cirrus, puede tomar 925
muestras por segundo.
Tambin se sabe que el sensor de temperatura LM335 tiene una resolucin de 10mV/C, por lo tanto debemos calcular la mnima resolucin con la que puede trabajar el
conversor A/D, siendo de 12 bits, teniendo 4096 muestras. Y debido a que vamos a trabajar
entre 0 y 3,3 volts, podemos decir que:
Resolucin mnima = (3,3 V0 V) / 4096 = 8*10-4 = 0,8 mV 1 m V
Siendo la resolucin mnima del conversor A/D es de aproximadamente 1 mV, por lo
cual no debera presentar ningn problema para leer la temperatura del sensor el cual tiene 10
mV/C. De lo anteriormente sealado, podemos concluir que el sistema podr detectar cambios
de temperatura con una resolucin de un decimal, es decir, el conversor A/D detectar un
cambio de temperatura de 0.1 C. (La temperatura real del sistema estar afecta al error del
sensor de temperatura).
Tambin, es importante tener en cuenta que, es necesario adaptar los niveles de
voltajes entregados por el sensor de temperatura LM335, debido a que se trabajar con rangos
de temperatura que van desde los -10 C, a los 80 C, entregando segn la hoja de datos del
fabricante, los siguientes rangos de voltajes:
Voltaje Mnimo de Salida del sensor = (273 C+ (-10 C) )/ 100 = 2,63 Volts
Voltaje Mximo de Salida del sensor = (273 C + 80 C) /100 = 3,53 Volts.
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Como se puede ver, el voltaje mximo (segn la escala de trabajo), sobrepasa el
voltaje mximo de entrada en el conversor A/D (3,3 Volts), por lo cual ser necesario
disminuir el voltaje entregado por el LM335, para lo cual se implementar un circuito
amplificador operacional configurado en restador, con el fin de restar 1.8 volts, a los voltajesantes sealados. Tambin se optar por trabajar con 1.8 Volts debido a que el ts-7400 presenta
un regulador de 1.8 Volts, extrable desde la cabecera inferior (40 pines), especficamente el pin
N 26. Por lo que al realizar este circuito Amplificador Operacional restador, nos aseguramos a
la vez de que la impedancia que entra al conversor A/D es inferior a 10 .
Quedando los niveles de voltajes en los siguientes rangos:
Voltaje Mn. Salida= (273 C+ (-10 C))/ 100 = 2,63 V - 1.8V = 0.83 V.
Voltaje Mx. Salida= (273 C + 80 C) / 100 = 3,53 V 1.8 V= 2.27 V.
(Recordemos que estos son valores tericos, por lo cual nuestros valores medidos deben
acercarse lo ms posible a estos valores, no necesariamente siendo los mismos que se
calcularon).
La configuracin bsica de un circuito restador es la siguiente:
Donde:
Si utilizamos todas nuestras resistencias de igual valor (en nuestro caso 10 K), se tendr:
Vout = V2 V1
Vout = Vsensor (2,63V- 3,52 V) 1,8 V = (0,83 V 2,27 V)
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Siendo, est el circuito de conexin:
(Figura N5, conexin del sensor a la TS-7400; Elaboracin propia).
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Captulo V
Control PID.
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5.1 INTRODUCCIN
En este captulo se examinar una estructura particular de control, el cual es
universalmente utilizado en la industria. Se trata de la familia de controladores de estructura fija:controladores PID. Estos controladores han mostrado ser estables y extremadamente
beneficiosos en el control de muchas aplicaciones de importancia en la industria.
PID significa:
Proporcional.
Integral.
Derivativo.
Primero se debe mencionar, que el controlador PID, es un dispositivo basado en
hardware y software, que funciona mediante el monitoreo de una seal de error, que es la
diferencia entre los valores establecidos (temperatura deseada) y los valores reales o medidos
que el parmetro a controlar tiene. La combinacin del sistema a controlar y el controlador
empleado tienen una disposicin de lazo cerrado.
El lazo cerrado est continuamente monitoreando la seal de salida para compararla con
la seal de referencia y calcular la seal de error, la cual a su vez, es aplicada al controlador
para generar la seal de control y tratar de llevar la seal de salida al valor deseado( tambin es
llamado control realimentado).
En la actualidad el control PID en la actualidad es ampliamente utilizado, principalmente
para el control de potencia, como motores de induccin, control de nivel de caudal y de presin,
procesos qumicos, entre otros.
Debido al gran auge que ha tomado la utilizacin de este control, se han comenzado a utilizar
herramientas digitales, como los micro controladores, o sistemas embebidos, con el fin de
desarrollar variadas aplicaciones, como por ejemplo este trabajo, en el cual se utilizar este tipo
de control por ser uno de los ms eficientes y completos, que contiene dispositivos de bajo
costo gracias a los que se logra implementar digitalmente este tipo de control.
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Para continuar con esta investigacin es necesario definir ciertos trminos bsicos, como son:
Seal de salida: es la variable que se desea controlar (posicin, velocidad, presin,
temperatura, etc.). Tambin se denomina variable controlada. Seal de referencia: es el valor que se desea que alcance la seal de salida.
Error: es la diferencia entre la seal de referencia y la seal de salida real.
Seal de control: es la seal que produce el controlador para modificar la variable
controlada de tal forma que se disminuya, o elimine, el error.
Planta: es el elemento fsico que se desea controlar. Planta puede ser: un motor, un
horno, un sistema de disparo, un sistema de navegacin, un tanque de combustible, etc.
En nuestro caso es la celda de peltier.
Proceso: operacin que conduce a un resultado determinado. Sistema: consiste en un conjunto de elementos que actan coordinadamente para
realizar un objetivo determinado.
Perturbacin:es una seal que tiende a afectar la salida del sistema, desvindola del
valor deseado.
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5.2) ESTRUCTURA PID.
Para comprender el funcionamiento de un controlador PID, se muestra a continuacin un lazo
bsico de control:
(Figura N 6, elaboracin propia).
Donde:
R(s): es la seal, o valor de referencia deseado.
E(s): es la seal de error, entre el valor deseado y el valor medido.
Y(s): es el valor medido.
U(s): corresponde al voltaje producido por el controlador para disminuir o anular el error.
K(s): es el proceso de control PID.
Por lo tanto se debe calcular y comprender todas las variables. Proporcionales,
Integrales, y Derivativas, para as realizar los clculos de este proceso PID, por lo que se
deber explicar a continuacin, cada uno de estos controles:
Control Proporcional:
El trmino proporcional (a veces llamada ganancia),realiza un cambio en la salida que
es proporcional al valor actual de error. La respuesta proporcional se puede ajustar al
multiplicar el error por una constante K p,llamada la ganancia proporcional.
El trmino proporcional est dado por:
Donde:
Kp: Constante proporcional (llamado en ocasiones ganancia).
e: error entre el valor deseado y el valor medido.
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t: tiempo instantneo (actual).
Si la ganancia proporcional es demasiado alta, el sistema puede volverse inestable. Por el
contrario, si la ganancia proporcional es demasiado baja, la accin de control puede ser
demasiado pequea, al responder a las perturbaciones del sistema.
Control Integral:
La contribucin del trmino integral (a veces llamado reset) es proporcional a la
magnitud del error y a la duracin del error. En resumen, el error instantneo a lo largo del
tiempo (la integracin de los errores) da el acumulado de compensacin que debera haber sido
corregido con anterioridad. El error acumulado se multiplica por la ganancia integral y se aadea la salida del regulador. La magnitud de la contribucin del trmino integral a la medida de
control general est determinado por la ganancia integral, K i.
El trmino integral est dado por:
Donde:
- Ki: ganancia integral
- e: error entre el valor deseado y el valor medido.
- t. tiempo instantneo (actual).
- : una variable ficticia de integracin
El trmino integral (cuando se aade al trmino proporcional) acelera el movimiento del proceso
hacia el punto de ajuste, eliminando el error residual en estado estacionario que se produce con
un nico controlador proporcional. Sin embargo, dado que el trmino integral responde a los
errores acumulados en el pasado, puede hacer que el valor actual, sobrepasa el valor del punto
de ajuste.
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Control Derivativo:
La accin derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error;(si el error es constante, solamente actan los modos proporcional e integral). Oro aspecto a
mencionar es que la tasa de variacin del error de proceso se calcula mediante la
determinacin de la pendiente del error en el tiempo, es decir, su primera derivada con respecto
al tiempo, y multiplicando este tipo de cambio por la ganancia derivada de K d.
El trmino derivado es dada por:
Donde:
K d:ganancia derivada, un parmetro de ajuste.
e:error entre el valor deseado, y el valor medido.
t:tiempo instantneo (el presente).
La funcin de la accin derivativa es mantener el error al mnimo corrigindolo
proporcionalmente con la misma velocidad que se produce, entonces de esta manera evita que
el error se incremente. Esta ecuacin se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una
constante Dy luego se suma a las seales anteriores (P+I).
Por lo tanto el trmino derivativo disminuye la tasa de cambio de la salida del controlador. Este
efecto es ms notable cerca de la consigna del controlador. Por lo tanto, el control de derivativo
se utiliza para reducir la magnitud del rebasamiento producido por el componente integral ymejorar la estabilidad combinada del controlador del proceso. Sin embargo, la diferenciacin de
una seal amplifica el ruido y por lo tanto este trmino en el controlador, es muy sensible al
ruido en el trmino del error, y puede causar un proceso que se vuelva inestable, si el ruido y la
ganancia de derivativos fuesen son suficientemente grandes.
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Cuando el tiempo de accin derivativo es grande, hay inestabilidad en el proceso. Cuando
el tiempo de accin derivada es pequeo, la variable oscila demasiado con relacin al valor
deseado. Suele ser poco utilizada, debido a la sensibilidad al ruido que manifiesta y a las
complicaciones que ello conlleva.
Es necesario destacar que, el tiempo ptimo de accin derivativa es el que retorna la variable al
punto de consigna con las mnimas oscilaciones.
5.3) VARIABLES A CONSIDERAR.
Se sabe que la principal variable a controlar por el sistema de control PID es la
temperatura deseada, pero no se debe olvidar que la respuesta de este sistema de control est
determinada por las constantes o ganancias: proporcional, integral y derivativa. Los trminos
proporcionales, integrales y derivativos se suman para calcular la salida del controlador PID,
estos trminos son los siguientes:
Kp: ganancia proporcional.
Ki: ganancia integral. K d:ganancia derivativa.
Adems, la velocidad y respuesta de este control va a estar determinado por las variables antes
mencionadas, por lo cual es muy importante su clculo, y el valor de las variables est
determinado por el medio en el cual se desarrolle el control PID. Para obtener un ptimo
sistema de control PID, estas constantes deben estar en proporcionalidad entre s.
Con el fin de calcular esta proporcionalidad existen diferentes mtodos de ajuste emprico de
controladores PID, basados en mediciones realizadas sobre la planta real. A continuacin se
darn a conocer uno de ellos, el mtodo de Ziegler-Nichols, el cual ser utilizado en el clculo
de las variables PID del proyecto.
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a) Mtodo de Ziegler- Nichols:
Este mtodo fue desarrollado en la dcada de 1940 por Joh n G. Zieglery Nathaniel B.
Nichols. Donde en un comienzo las constantes, o ganancias K i(integral), y K d (proporcional),se ponen a cero, ya que deduce que el valor de Kpest en la estabilidad, cuando slo se usa la
accin de control proporcional.
Reglas de Ziegler-Nichols para sintonizar controladores PID:
Ziegler y Nichols propusieron reglas para determinar los valores de la ganancia
proporcional Kp, del tiempo integral Tiy del tiempo derivativo Td, con base en las caractersticas
de respuesta transitoria de una planta especifica. Tal determinacin de los parmetros de loscontroladores PID o de la sintonizacin de los controles PID la realizan mediante experimentos
sobre la planta.
Hay dos mtodos para calcular la sincronizacin de las constantes PID, el primero es de lazo
abierto, y el segundo de lazo cerrado, ya que nuestro s