UNIVERSIDAD CENTRAL FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA INSTRUMENTACION ELECTRÓNICA SENSOR DE TEMPERATURA CON PT100 Byron Andreev Alfonso Doncel,
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Resumen Este articulo muestra como se realizó un sensor de temperatura utilizando un acondicionamiento para una PT100, adquiriendo sus valores por medio del DAQ. Interpretando la temperatura por medio del voltaje adquirido y aplicándose a un control de para el cultivo de flores.
Marco teórico
Abstract
El sensor PT-100 es un sensor de temperatura que basa su funcionamiento en la variación de resistencia a cambios de temperatura del medio. El elemento consiste en un arrollamiento muy fino de platino bobinado entre capas de material aislante y protegido por un revestimiento cerámico.
Introducción
El material que forma el conductor, posee un coeficiente de temperatura de resistencia , el cual determina la variación de la resistencia del conductor por cada grado que cambia su temperatura según la siguiente ecuación:
Los invernaderos en Colombia son muy utilizados para cultivar setas o flores estas últimas son un renglón importante en las exportaciones del país, sin embargo la automatización de invernaderos es muy reducida, los pocos proyectos de automatización han llevado a procesos más eficientes. El presente trabajo pretende realizar un sensor de temperatura utilizando una PT100 y adquirir datos por medio de la DAQ para posteriormente interpretarlos, visualizarlos y aplicarlo al control de temperatura en un cultivo de flores en una región de clima templado.
Donde, o Ro= resistencia en a 0 C. o Rt= resistencia en a t C. t= temperatura actual. =coeficiente de temperatura de la o o resistencia cuyo valor entre 0 C y 100 C es de 0.003850
(⁄) ⁄
Escala Práctica de Internacionales (IPTS-68).
en la
Temperaturas
En la siguiente tabla se observan las características del Platino comparadas con otros materiales:
Los sensores de temperatura que se componen de termómetros de resistencia tienen una característica especial, que se define en la norma DIN EN 60751 (200905). Esta indica, que por ejemplo los sensores de temperatura PT1000 deben tener una resistencia de 1000 ohmios a 0 ºC.La ventaja de esta normativa es que en caso de avería o defecto, los sensores de temperatura pueden ser simplemente cambiados, sin necesidad de recalibrar toda la cadena de medición. Tratamos siempre de mantener la resistencia de los sensores de temperatura lo más alta posible para minimizar al máximo la influencia en conexiones más largas.
Figura 1. Tipos de conexiones de los sensores de temperatura.
Para mantener la precisión en la medición de sensores de temperatura con una escasa resistencia específica, se usan sensores de temperaturas de varios hilos. Esto permite compensar la resistencia en el medidor. Por norma general se usan sensores de temperatura de 3 o 4 hilos. El gráfico superior muestra los diferentes tipos de conexión de los sensores de temperatura. Las resistencias marcadas en rojo representan los sensores de temperatura. Las marcas azules indican la resistencia de los conductores. La base de cualquier conexión de los sensores de temperatura con un instrumento de medida es acoplamiento en puente. El indicador digital conectado a los sensores de temperatura indica a través de determinados ajustes cómo están interconectados los termómetros de resistencia. Los sensores de temperatura se dividen en distintas clases de precisión. Desde julio de 2008 se distinguen en cuatro clases según el IEC 60751: AA, A, B y C. Las variaciones de temperatura se manifiestan de la siguiente forma:
clase AA dt = ± (0,1 °C + 0,0017 · T
clase A ± (0,15 °C + 0,002 · T )
clase B: dT = ± (0,30 °C + 0,005 · T )
clase C: dT = ± (0,6 °C + 0,01 · T )
Aquí, se ve claramente, que los sensores de temperatura de resistencia son más
precisos que los termoelementos. Los rangos de medición de los sensores de temperatura se distinguen dentro de cada clase de precisión. Los sensores de temperatura de clase A pueden ser utilizados en un rango de -196 °C - 450 ºC.
Control de temperatura para el cultivo de flores El desarrollo de los cultivos, en sus diferentes fases de crecimiento, está condicionado por cuatro factores ambientales o climáticos: temperatura, humedad relativa, luz y CO2. Para que las plantas puedan realizar sus funciones es necesaria la conjunción de estos factores dentro de unos límites mínimos y máximos, fuera de los cuales las plantas cesan su metabolismo, pudiendo llegar a la muerte. En este proyecto se basara en el control de temperatura.
Temperatura Para la mayoría de los cultivares de rosa, las temperaturas óptimas de crecimiento son de 17ºC a 25ºC, con una mínima de 15ºC durante la noche y una máxima de 28ºC durante el día. Pueden mantenerse valores ligeramente inferiores o superiores durante períodos relativamente cortos sin que se produzcan serios daños, pero una temperatura nocturna continuamente por debajo de 15ºC retrasa el crecimiento de la planta, produce flores con gran número de pétalos y deformes, en el caso de que abran. Temperaturas excesivamente elevadas también dañan la producción, apareciendo flores más pequeñas de lo normal, con escasos pétalos y de color más cálido.
Control ambiental
El control ambiental está basado en manejar de forma adecuada todos aquellos sistemas instalados en el invernadero: sistema de calefacción, la ventilación y el suministro de fertilización carbónica, para mantener los niveles adecuados de la radiación, temperatura, humedad relativa y nivel de CO2, y así conseguir la mejor respuesta del cultivo y por tanto, mejoras en el rendimiento, precocidad, calidad del producto y calidad del cultivo.
Ventilación y enriquecimiento en CO2 En muchas zonas las temperaturas durante las primeras horas del día son demasiado bajas para ventilar y, sin embargo, los niveles de CO2 son limitantes para el crecimiento de la planta. Bajo condiciones de invierno en climas fríos donde la ventilación diurna no es económicamente rentable, es necesario aportar CO2 para el crecimiento óptimo de la planta, elevando los niveles a 1.000 ppm. Asimismo, si el cierre de la ventilación se efectúa antes del atardecer, a causa del descenso de la temperatura, los niveles de dióxido de carbono siguen reduciéndose debido a la actividad fotosintética de las plantas. Por otro lado, hay que tener en cuenta que las rosas requieren una humedad ambiental relativamente elevada, que se regula mediante la ventilación y la nebulización o el humedecimiento de los pasillos durante las horas más cálidas del día. La aireación debe poder regularse, de forma manual o automática, abriendo los laterales y las cumbreras, apoyándose en ocasiones con ventiladores interiores o incluso con extractores (de presión o sobrepresión). Ya que así se produce una bajada del grado higrométrico y el control de ciertas enfermedades.
Climatización de invernaderos durante periodos fríos. Existen distintos sistemas para calentar y mantener la temperatura en el interior de un invernadero, como son: •
•
•
•
•
•
•
•
Empleo adecuado de los materiales de cubierta. Hermetismo del invernadero, evitando pérdidas de calor. Empleo de pantallas térmicas, cuyo uso permite mantener entre 2 y 4º C más en el interior del invernadero, con el consiguiente ahorro de energía. Dichas pantallas están justificadas en el caso de utilización de sistemas de calefacción. Condensación que evita la pérdida de radiación de longitud de onda larga, aunque tiene el inconveniente del goteo sobre la planta. Capas dobles de polietileno de 150 galgas o de polipropileno, que se pueden emplear como pantalla térmica, para evitar condensaciones sobre cubierta, con el inconveniente de pérdida de luminosidad en el interior. Se emplea mucho en invernaderos sin calefacción. Invernaderos más voluminosos que permiten mayor captación de la luz y al mismo tiempo mayor pérdida de calor por conducción. La mayor inercia térmica de volúmenes grandes, permite un mejor control del clima. Propio follaje de las plantas, ya que almacenan radiación. Sistemas de calefacción por agua caliente o por aire caliente.
Procedimiento Para el sensor PT100 se utilizo un puente de wheatstone en el cual dos potenciómetros presentes son utilizados
para calibrar mi nivel mínimo (POT 1) y el nivel máximo (POT 2), a continuación se muestra el montaje utilizado para el acondicionamiento de la PT100.
Figura 1. Acondicionamiento para la PT100.
Se utilizo una fuente de voltaje con salida de 5V, como ya se había dicho anteriormente los potenciómetros fueron usados como limitadores de voltaje que mantienen un rango para que el DAQ lea este valor y lo interprete por medio de una ecuación de la recta hallada tomando varias muestras de voltaje a diferentes valores de temperatura, mostrando asi en el panel frontal del VI la grafica de la temperatura contra el tiempo y arrojando el valor de la temperatura a una constante, este procedimiento toma una muestra cada 1000 ms. Voltaje 0,435 0,437 0,439 0,44 0,444 0,447 0,452
Temperatura 0,9 2,6 4,1 5,5 7,7 10,2 13,3
0,456 0,462 0,466 0,469 0,473 0,477 0,484 0,49 0,499
16,8 20 22,2 25,3 27,8 30,9 34,5 37,2 41,7
Tabla 1. Muestras tomadas para la hallar la ecuación.
Por medio de estas muestras se procedió a graficar y así hallar la ecuación de la recta cuyo valor arrojado es Y = 652,77X - 281,89. Estos valores de la recta se introdujeron en el VI desarrollado para la interpretación de los datos y poder mostrar así la temperatura medida por la PT100 y guardar los datos visualizados en un tabla de datos de Excel. 50 45
y = 652.77x - 281.89
40 35 30 25 20 15
Figura 3. Panel frontal del sensor de temperatura.
En la figura 3 se observa la waveform chart que va a ir graficando los puntos tomados por cada muestra, un botón con el cual se puede detener la ejecución del VI, una constante en la que se observa la temperatura dada en la muestra tomada, dos led´s que indican si la temperatura sale 0 del rango máximo (30 C) o el rango 0 minimo (10 C) y finalmente si la 0 temperatura sobrepasa los 30 C el ventilador se encenderá hasta que la temperatura no baje de dicho valor. La temperatura tomada en los rangos en un valor promedio hallado por investigación puesto que varían los valores mínimos y máximos dependiendo de autores.
10 5 0 0.42
0.44
0.46
0.48
0.5
0.52
Figura 2. Grafica de las muestras de V vs T.
Teniendo la ecuación y al haberla ingresado en el VI realizado para esta adquisición se procedió a tomar los datos. A continuación se muestran las imágenes del panel frontal y el diagrama de bloques en su forma final.
Figura 4. Diagrama de bloques del sensor de temperatura.
En el diagrama de bloques esta la adquisición de voltaje por la DAQ y su
interpretación por medio de la ecuación de la recta a temperatura, además de lo explicado anteriormente en el panel frontal se encuentra la parte que guarda los datos de voltaje y temperatura por cada muestra con su hora y fecha correspondiente. Las figuras 5, 6, y 7 visualizan lo que sucede en los tres diferentes casos posibles.
Figura 7. Temperatura máxima. 0
Figura 5. Temperatura normal.
Si la temperatura excede los 30 C se ilumina un led que da alerta y al mismo tiempo un ventilador se enciende para ayudar a que descienda la temperatura dentro del cultivo de flores, el ventilador estará encendido hasta el momento en que 0 la temperatura rebaje los 30 C. Para cuando eso suceda el led de alerta se apagara y el cultivo de flores estará de nuevo con una temperatura para que las plantas puedan crecer sin defectos y así ser utilizadas para diferentes propósitos. Al momento de ejecutar el programa por cada muestra que se toma se escribe un dato en un archivo de Excel, los datos a mostrar son los arrojados durante un tiempo aproximado de un minuto en el cual se va cambiando constantemente la temperatura del agua con la que se estaba haciendo la prueba.
Figura 6. Temperatura mínima. FECHA
Cuando la temperatura desciende de los 0 10 C un led se enciende para dar alerta y no se apaga hasta que la temperatura 0 sobrepase los 10 C.
HORA
VOLTAJE TEMPERATURA
5/23/2011
6:47:31 p.m. 0.434
1,412
5/23/2011
6:47:32 p.m. 0.436
2.717
5/23/2011
6:47:33 p.m. 0.437
3.370
5/23/2011
6:47:34 p.m. 0.442
6.634
5/23/2011
6:47:35 p.m. 0.446
9.245
5/23/2011
6:47:36 p.m. 0.449
11.204
5/23/2011
6:47:37 p.m. 0.453
13.815
5/23/2011
6:47:38 p.m. 0.488
36.661
5/23/2011
6:47:39 p.m. 0.494
40.578
5/23/2011
6:47:40 p.m. 0.495
41.231
5/23/2011
6:47:41 p.m. 0.496
41.883
5/23/2011
6:47:42 p.m. 0.496
41.883
5/23/2011
6:47:43 p.m. 0.495
41.231
5/23/2011
6:47:44 p.m. 0.496
41.883
5/23/2011
6:47:45 p.m. 0.496
41.883
5/23/2011
6:47:46 p.m. 0.495
41.231
5/23/2011
6:47:47 p.m. 0.494
40.578
5/23/2011
6:47:48 p.m. 0.494
40.578
5/23/2011
6:47:49 p.m. 0.492
39.273
5/23/2011
6:47:50 p.m. 0.493
39.925
5/23/2011
6:47:51 p.m. 0.492
39.273
5/23/2011
6:47:52 p.m. 0.491
38.621
5/23/2011
6:47:53 p.m. 0.488
36.661
5/23/2011
6:47:54 p.m. 0.486
35.356
5/23/2011
6:47:55 p.m. 0.483
33.397
5/23/2011
6:47:56 p.m. 0.482
32.745
5/23/2011
6:47:57 p.m. 0.483
33.397
5/23/2011
6:47:58 p.m. 0.483
33.397
5/23/2011
6:47:59 p.m. 0.482
32.745
5/23/2011
6:48:00 p.m. 0.482
32.745
5/23/2011
6:48:01 p.m. 0.482
32.745
5/23/2011
6:48:02 p.m. 0.481
32.094
5/23/2011
6:48:03 p.m. 0.482
32.745
5/23/2011
6:48:04 p.m. 0.477
29.481
5/23/2011
6:48:05 p.m. 0.475
28.175
5/23/2011
6:48:06 p.m. 0.476
28.828
5/23/2011
6:48:07 p.m. 0.475
28.175
5/23/2011
6:48:08 p.m. 0.476
28.828
5/23/2011
6:48:09 p.m. 0.475
28.175
5/23/2011
6:48:10 p.m. 0.475
28.175
5/23/2011
6:48:11 p.m. 0.475
28.175
5/23/2011
6:48:12 p.m. 0.475
28.175
5/23/2011
6:48:13 p.m. 0.474
27.523
5/23/2011
6:48:14 p.m. 0.475
28.175
5/23/2011
6:48:15 p.m. 0.475
28.175
5/23/2011
6:48:16 p.m. 0.474
27.523
5/23/2011
6:48:17 p.m. 0.475
28.175
5/23/2011
6:48:18 p.m. 0.474
27.523
5/23/2011
6:48:19 p.m. 0.475
28.175
5/23/2011
6:48:20 p.m. 0.474
27.523
5/23/2011
6:48:21 p.m. 0.474
27.523
5/23/2011
6:48:22 p.m. 0.474
27.523
5/23/2011
6:48:23 p.m. 0.474
27.523
5/23/2011
6:48:24 p.m. 0.466
22.301
5/23/2011
6:48:25 p.m. 0.464
20.995
Tabla 2. Valores tomados de voltaje y temperatura.
En la figura 8 se muestra el montaje físico el cual fue utilizado para acondicionar la PT100 (lado izquierdo de la figura 8).
Figura 8. Montaje fisico.
Análisis de resultados
LabView es un programa muy eficiente a la hora de adquirir datos e interpretarlos por medio de programación grafica. Los datos obtenidos por medio de las pruebas son bastante aceptables puesto que después de calibrado el sensor las medidas variaban poco del valor medido por una termocupla utilizada como comparación. Al salirse la temperatura de su rango las alertas funcionaban precisas y en especial el rango de temperatura máxima en el cual se encendía el ventilador cuando ese valor era sobrepasado y se apagaba hasta cuando la temperatura descendía de los 0 30 C. Las practicas realizadas durante el tercer corte han sido de valiosa ayuda como también la constante ayuda y disponibilidad del profesor para resolver y despejar las dudas.
Conclusiones
Los potenciómetros logarítmicos utilizados fueron un punto negativo y de retraso puesto que por su forma física al cambiarlo de lugar variaba el valor haciendo que se dañara la calibración hecha. La calibración del sensor es sencilla, por lo que arroja valores que son tomados fácilmente y al graficar los valores tomados de voltaje versus temperatura en las muchas calibraciones hechas en ningún momento se observo valores que no pertenecieran a una grafica lineal. La utilidad de un sensor de temperatura es amplia y muy efectiva como en el papel que se le dio en este proyecto, el control de temperatura dentro de un cultivo de flores, puesto que este es el factor mas importante para que las flores crezcan sin ningún problema. El array y el cluster son de gran apoyo en proyectos en los cuales se tienen que almacenar datos, para después ser representados en diferentes respuestas, en este caso un proyecto de análisis de temperatura.
Referencias
“Sensor de temperatura por PT100”, http://www.ingecozs.com/pt100.pdf “Sensores de temperatura”, http://www.pceiberica.es/instrumen tos-de-medida/sistemas/sensorestemperatura.htm Guía practica LabView 6, Guía de laboratorios, Departamento de Ingeniería Electrónica.
Calibración de un termistor, Guía de laboratorios, Departamento de Ingeniería Electrónica.
“Cultivo de rosas, temperatura”, http://www.infoagro.com/flores/flo res/rosas.htm “Climatización durante periodos fríos”, http://www.infoagro.com/industria _auxiliar/control_climatico2.htm
