Canal de medición de temperatura

1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria y Ciencia y
Tecnología
Programa Nacional de Formación en Electricidad
Canal de medición usando un termopar
tipo J
Andrade Arturo
Salge Boris
González Carlos
Trayecto III
Taller de Instrumentación
1 de Diciembre de 2.014

2. Enunciado
Se requiere realizar un canal de medición de temperatura con las siguientes
características, un rango de entrada entre 25ºC a 120ºC para un rango de salida de
4mA a 20mA.
Contenido
Un termopar (también llamado termocupla) es un transductor formado por la unión
de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del
orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno de
los extremos denominado «punto caliente» o «unión caliente» o de «medida» y el
otro llamado «punto frío» o «unión fría» o de «referencia» (efecto Seebeck).
Normalmente los termopares industriales están compuestas por un tubo de acero
inoxidable u otro material. En un extremo de esa vaina está la unión, y en el otro el
terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio
(cabezal).
En instrumentación industrial, los termopares son usados como sensores de
temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son
capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación está en
la exactitud, pues es fácil obtener errores del sistema cuando se trabaja con
precisiones inferiores a un grado Celsius.
El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto
los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción
a gas.
Tipos
 Tipo K (cromel/alumel): con una amplia variedad aplicaciones, está
disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. El cromel es una
aleación de Ni-Cr, y el alumel es una aleación de Ni-Al. Tienen un rango de

3. temperatura de –200 °C a +1372 °C y una sensibilidad 41 µV/°C
aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidación.
 Tipo E (cromel/constantán [aleación de Cu-Ni]: no son magnéticos y gracias
a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito
criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.
 Tipo J (hierro/constantán): su rango de utilización es de –270/+1200 °C.
Debido a sus características se recomienda su uso en atmósferas inertes,
reductoras o en vacío, su uso continuado a 800 °C no presenta problemas,
su principal inconveniente es la rápida oxidación que sufre el hierro por
encima de 550 °C; y por debajo de 0 °C es necesario tomar precauciones a
causa de la condensación de vapor de agua sobre el hierro.
 Tipo T (cobre/constantán): ideales para mediciones entre -200 y 260 °C.
Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en
criogenia. El tipo termopar de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C.
 Tipo N (nicrosil [Ni-Cr-Si]/nisil [Ni-Si]): es adecuado para mediciones de alta
temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de
altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S,
que son más caros.
Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su
baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas
temperaturas (superiores a 300 °C).
 Tipo B (Pt-Rh): son adecuados para la medición de altas temperaturas
superiores a 1800 °C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0 °C y 42
°C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a
temperaturas por encima de 50 °C.
 Tipo R (Pt-Rh): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1300
°C. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.
 Tipo S (Pt/Rh): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1300
°C, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en
un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada

4. estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de
fusión del oro (1064,43 °C).
Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S,
tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante
para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.
Para este diseño se utilizará una termocupla tipo J por estar más ajustada al rango
de trabajo de dicho canal de medión y por tener un bajo costo.
Caracterización del Termopar

5. La aproximación lineal para un rango entre 25 – 120 ºC ser´s igual a 0,05277 V/ºC
Amplificador de instrumentación
Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de
amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de
entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de
componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).
La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.
Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales
como equipos médicos (por ejemplo, el electrocardiógrafo), para minimizar el error
de medida.
Estructura
En la siguiente figura se muestra la estructura de un amplificador:
Esquemático de un amplificador de instrumentación.
Al existir realimentación negativa se puede considerar un cortocircuito virtual entre
las entradas inversora y no inversora (símbolos - y + respectivamente) de los dos

6. operacionales. Por ello se tendrán las tensiones en dichos terminales y por lo tanto
en los extremos de la resistencia RGain
Así que por ella circulará una corriente Ig= (V2 – V1)(
1
𝑅𝑔
)
Y debido a la alta impedancia de entrada del A.O., esa corriente será la misma que
atraviesa las resistencias R1. Por lo tanto la tensión que cae en toda la rama formada
por Rg, R1 y R1 será:
Simplificando:
Que será la DIFERENCIA de tensión entre la salida inmediata de los dos A.O. 's
(justo antes de las R2). Puesto que el resto del circuito es un restador de ganancia
la unidad (R2=R3) su salida será exactamente la diferencia de tensión de su entrada
(sin añadir ganacia), la cual se acaba de definir.
Nótese como se ha simplificado la expresión dando valores iguales a las
resistencias R2 y R3. Se fijaron todas las Resistencias a un valor comercial de
330KΩ y se calculó, para obtener una ganancia en esa primera etapa del circuito de
200 en pendiente negativa, RGain
𝑅𝑔𝑎𝑖𝑛 =
2 ∗ 330𝐾Ω
200
≅ 3.3𝐾Ω 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒

7. Amplificador de Instrumentación
Filtro Pasa bajo
Un filtro RC pasa bajo es un circuito formado por un resistor y un capacitor
conectados en serie
El filtro paso bajo permite sólo el paso de frecuencias por debajo de una
frecuencia en particular llamada frecuencia de corte (Fc) y elimina las frecuencias
por encima de esta frecuencia.
La unidad de frecuencia es el: Hertz, Hertzio o ciclo por segundo
Filtro paso bajo Real

8. La reactancia capacitiva cambia con la frecuencia. Para altas frecuencias XC es
baja logrando con esto que las señales de estas frecuencias sean atenuadas. En
cambio a bajas frecuencias (por debajo de la frecuencia de corte) la reactancia
capacitiva es grande, lo que causa que estas frecuencias no se vean afectadas o
son afectadas muy poco por el filtro.
Con la ley de Ohm:
- Vin = I x Z = I x (R2 + XC2) 1/2
- Vo = I x XC
- Vo = Vin / ( 1 + (2 x π x RC)2 )1/2
donde Z = Impedancia
La frecuencia de corte es aquella donde la amplitud de la señal entrante cae hasta
un 70.7 % de su valor máximo. Y esto ocurre cuando XC = R. (reactancia
capacitiva = resistencia)
Si XC = R, la frecuencia de corte será: Fc = 1 / (2 x π x RC)
La banda de frecuencias por debajo de la frecuencia de corte se llama Banda de
paso, y la banda de frecuencias por encima de Fc se llama Banda de atenuación
Nota: π = Pi = 3.14159
Se quiere atenuar las señales en frecuencia mayores a 20Hz y se fija un valor de
resistencia de 1KΩ, tenemos
𝐶 =
1
2𝜋 ∗ 20𝐻𝑧 ∗ 1𝐾Ω
= 8µ𝐹
Filtro Paso Bajo

9. Etapa V-V
𝑽𝒇 = −
𝑹𝒔
𝑹𝟏
∗
𝑹𝟏
𝑹𝟐
(𝑽𝟐 − 𝑽𝟏) −
𝑹𝒔
𝑹𝒐𝒔
(−𝟏𝟐𝑽)
Vo= -220 Vtj (Amplificador Diferencial)
Entonces: 𝑉𝑓 = 220
𝑅𝑠
𝑅𝑔
∗ 𝑉𝑡𝑗 −
𝑅𝑠
𝑅𝑜𝑠
∗ 𝑉𝑟𝑒𝑓
Establecemos Vf entre (1 – 6) V
𝑚𝑜 =
(6 − 1)𝑣
6,333𝑚𝑉 − 1,319𝑚𝑉
= 997,208 = 220
𝑅𝑠
𝑅𝑔
Se asume Rs= 56KΩ
𝑅𝑔 =
220 ∗ 56𝐾Ω
997,208
= 12,354 ≅≅ 12𝐾Ω
Por otro lado la intersección indica:
−𝑅𝑠
𝑅𝑜𝑠
∗ (−12𝑉) = 1 𝑅𝑜𝑠 = 12𝑅𝑠 = 12 ∗ 56𝐾Ω
Ros= 672KΩ≅ 680𝐾Ω
Ros=560KΩ+120KΩ (𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒)
Rg=12KΩ (Variable)
Rs=56KΩ

10. Convertidor V-V
Convertidor V-I
𝒎 =
∆𝑰
∆𝑽
=
(𝟐𝟎 − 𝟒)𝒎𝑨
(𝟔 − 𝟏))𝑽
= 𝟑, 𝟐 𝒎𝑨
𝑽⁄
La ecuación de conversion es I=m*Vf+b (Offset de corriente)
Para (Vo,I) = (1v,4mA) entonces: 4mA=3,2mA/V * 1v +b
Por lo tanto b= 0,8mA y
I= 3,2mA/V*Vo +0,8mA
R12 para conectar el amperímetro la fijamos en 100Ω
La resistencia limitadora R se calculó de la siguiente manera:
𝑅 =
(𝑉𝑜𝑏 − 𝑉𝑜𝑎)
2(𝐼𝑏 − 𝐼𝑎)
=
5𝑣
2 ∗ 16𝑚𝐴
= 156,25Ω
R11= 180Ω (Variable)
Utilizamos un transistor Tipo Darlington BU806

11. Transistor Darlington
Diagrama de la configuración Darlington.
En electrónica, el transistor Darlington o AMP es un dispositivo semiconductor
que combina dos transistores bipolares en un tándem (a veces llamado par
Darlington) en un único dispositivo.
La configuración (originalmente realizada con dos transistores separados) fue
inventada por el ingeniero de los Laboratorios Bell Sidney Darlington. La idea de
poner dos o tres transistores sobre un chip fue patentada por él, pero no la idea de
poner un número arbitrario de transistores que originaría la idea moderna de circuito
integrado.
Comportamiento
Esta configuración sirve para que el dispositivo sea capaz de proporcionar una gran
ganancia de corriente y, al poder estar todo integrado, requiere menos espacio que
dos transistores normales en la misma configuración. La ganancia total del
Darlington es el producto de la ganancia de los transistores individuales. Un
dispositivo típico tiene una ganancia en corriente de 1000 o superior. También tiene
un mayor desplazamiento de fase en altas frecuencias que un único transistor, de
ahí que pueda convertirse fácilmente en inestable. La tensión base-emisor también
es mayor, siendo la suma de ambas tensiones base-emisor, y para transistores de
silicio es superior a 1.2V. La beta de un transistor o par darlington se halla
multiplicando las de los transistores individuales, la intensidad del colector se halla
multiplicando la intensidad de la base por la beta total.

12. Convertidor V-I
Caracterización del Convertidor V-I

13. Montaje final de canal de medición

14. Conclusiones
El uso de herramientas digitales como el software Proteus para el diseño de circuitos
electrónicos es sumamente eficaz debido a que podemos realizar todos los ensayos
y simulaciones pertinentes para estar seguros y constatar el funcionamiento del
diseño a implantar.
Con el circuito de amplificación instrumental aseguramos tener una alta impedancia
en la entrada del convertidor para asi tener lecturas mucho más claras y tener una
mayor estabilidad en el circuito
Colocando un filtro pasa bajo evitamos señales que interfieran en el óptimo
funcionamiento de nuestro circuito, ya que al trabajar con valores de tensión y
corriente muy pequeños, es circuito está propenso a interferencias.
Adicional a esto se decidió el uso de un transistor tipo Darlington para el convertidor
de voltaje corriente, lo cual por tener una alta ganancia ayuda a la precisión del
circuito en cuanto a caídas de tensión y otras variables que pudieran afectar el buen
funcionamiento del mismo.
Se recomienda el uso de este montaje para futuras prácticas del taller de
instrumentación en el IUT “Federico Rivero Palacios”

15. Bibliografía
- “Amplificador de instrumentación”, Wikipedia.org 10 jun 2014
http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_de_instrumentaci%C3%B3n
- “Filtro paso bajo” Unicrom.com año 2012
http://www.unicrom.com/Tut_filtroRCpasabajo.asp
- “Transistor Darlington” Wikipedia.org 23 oct 2014
http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_Darlington
- Cristian Gomez “Diseño de canal de medición para temperatura” año
2014