Informe P6 - Práctica termómetro PDF

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Warning: TT: undefined function: 321. RESUMENEste informe de prácticas recoge los montajes y datos obtenidos a partir del diseño de un circuito que funcione como detector de temperatura. En primer lugar, montamos el circuito correspondiente teniendo en cuenta la necesidad de un sensor de temperatura...

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1. RESUMEN Este informe de prácticas recoge los montajes y datos obtenidos a partir del diseño de un circuito que funcione como detector de temperatura. En primer lugar, montamos el circuito correspondiente teniendo en cuenta la necesidad de un sensor de temperatura, un acondicionador y un indicador de rango. También se comentan las características de diferentes sensores de temperatura y los valores de los componentes utilizados. Por último, utilizaremos una tarjeta de adquisición de datos para tomar valores exactos de temperatura y observaremos la gráfica de evolución respecto a tiempo manipulando manualmente la temperatura del sensor.

2. INTRODUCCIÓN En la realización de la práctica serán necesarios los conocimientos sobre componentes pasivos de circuitos, tarjetas de adquisición y sobre operacionales adquiridos en las prácticas anteriores. Además, introducimos un nuevo componente, el LM35. Consiste en un sensor que produce un voltaje de salida que depende directamente de la temperatura que detecte con la relación 10mV/°C. Por ejemplo, a una temperatura de 20°C tendremos un voltaje de 200mV. Detectaremos la temperatura que está midiendo de dos maneras. Por un lado, diseñaremos un sistema de detección de tres rangos de tensiones, correspondientes a rangos de temperatura, mediante luces LED. Por otro lado, usaremos una tarjeta de adquisición conectada al ordenador. Gracias a este montaje podremos ver una de las muchas aplicaciones que tienen los circuitos actualmente con elementos básicos de laboratorio.

3. CUESTIONES PREVIAS 1. A partir de la documentación del LM35 que se puede obtener por la red, proponed un circuito de acondicionamiento e indicador de rango para tener las características descritas en el apartado “a”. Diseñamos este circuito que está dividido en varias partes que podemos estudiar por separado.

Imagen 1: Diseño del circuito con las características descritas para funcionar como detector de temperaturas

En primer lugar, el sensor LM35 está conectado como es necesario para su funcionamiento a una toma de tierra y a una fuente de alimentación continua de 5V, a partir de la cual podrá generar su tensión de salida proporcional a la temperatura. Esta tensión está conectada a la entrada negativa de un amplificador operacional. Este OPAMP realiza la función de circuito de acondicionamiento y consiste en un amplificador no inversor que amplía la señal con una ganancia que nos interese de valor 𝐺=

𝑅𝑓 𝑅

+ 1. Esto se realiza para que la tarjeta de adquisición de datos pueda obtener

tensiones lo suficientemente grandes para ser medidas ya que directamente el sensor trabaja en el rango de los milivoltios.

A continuación, está conectada la TAQ que irá mediante conexión USB al ordenador donde mediante LabView podremos detectar valores concretos de temperaturas. La salida del circuito de acondicionamiento está conectada también al circuito detector de rangos. Este consiste en la utilización de cuatro OPAMPS en modo comparador. El detalle de sus conexiones está explicado en la cuestión 2 junto a los valores de los componentes utilizados. La idea general es detectar la tensión de salida obtenida por el sensor LM35 en los tres rangos indicados en el guion enciendo en cada uno de ellos un LED de un color diferente al hacer pasar la corriente en su dirección funcional gracias a los comparadores. Según este montaje: -

Cuando T ≤ 25°C, se encenderá el LED rojo.

-

Cuando 25°C < T < 35°C, se encenderá el LED verde.

-

Cuando T ≥ 35°C, se encenderá el LED amarillo.

2. TRABAJO DE LABORATORIO 1. ¿Qué tipos de sensor de temperatura alternativo al LM35 hay? Describe ventajas y desventajas. Entre los tipos de sensores más comunes a parte del LM35 encontramos: TMP36, TC74, DHT11 y DHT22. El LM35 es un sensor analógico calibrado en grados Celsius con una precisión ±0.5°C. La principal desventaja es la necesidad de utilizar voltajes negativos para obtener valores inferiores a 2°C. El sensor TMP36 también es analógico y con él podemos medir temperaturas bajo cero sin necesidad de un voltaje negativo, pero su precisión es menor, de ±2°C y el rango de del voltaje también es mucho menor. El TC74 es un sensor digital, por lo que no será tan sensible al ruido como los dos anteriores. El voltaje de operación será igual al del TMP36 y la precisión puede ser ±2°C o ±3°C en función del tipo exacto de TC74 que usemos.

El DHT11 también es un sensor digital y además incorpora un sensor de humedad, su mayor problema es que sólo puede medir temperaturas de 0°C a 50°C y su precisión de ±2°C. Por último, el DHT22 también es digital e incorpora el sensor de humedad como el anterior, pero este mide temperaturas de -40°C a 80°C y su precisión es de ±0.5°C. Podemos ver los datos numéricos en la siguiente tabla comparativa: Tabla 1: características de algunos sensores de temperatura. Tipo de sensor

Voltaje de operación

Rango de temperaturas

Precisión

LM35

4V a 30V

-55°C a 150°C

±0.5°C

TMP36

2.7V a 5.5V

-40°C a 150°C

±2°C

TC74

2.7V a 5.5V

-40°C a 125°C

±2°C/±3°C

DHT11

3V a 5.5V

0°C a 50°C

±2°C

DHT22

3.3V a 6V

-40°C a 80°C

±0.5°C

(Esta información ha sido extraída de la web: https://srcsl.com/)

2. Incluye el detalle de los montajes eléctricos con el valor de todos sus componentes. Operacionales: Tabla 2: tensiones de los distintos operacionales.

Operacional U1 U2 U3 U4

Vcc+ (V) 15 15 15 15

Vcc- (V) -15 -15 0 -15

V+ (V) 5 Vout O1 Vout O1 V5

V- (V) Vout O1 5 7 Vout U3

Partimos de que el primer operacional (O1) es un amplificador con una ganancia de 20. Esto, junto con la función de transferencia del sensor LM35 (0mV+10mV/°C), nos proporcionará una VoutO1 determinada.

Teniendo esto en cuenta, procedemos a explicar los valores de los diferentes voltajes.

El operacional U1 es un comparador. Para que se encienda el LED rojo, su V+ tiene que ser mayor a V-, ya que este LED se encenderá cuando Vout del operacional U1 sea +Vcc. V- corresponde a la Vout del operacional O1. Queremos que el LED se encienda cuando la temperatura sea menor o igual 0°C, es decir, que a partir de VoutO1=5V. Estos 5V salen de aplicar la función de transferencia para T=25°C (0mv+25°C*10mV/°C=5V). Así pues, si ponemos un valor de V+=5V para el operacional U1, para temperaturas menores a 20°C Vout de este operacional será +Vcc y, por tanto, se encenderá el LED.

El operacional U2 es también un comparador. En este caso, queremos que su Vout sea +Vcc para temperaturas mayores a los °C. Siguiendo el mismo razonamiento que en caso anterior, para temperaturas menores a 25°C Vout será –Vcc y, para temperaturas que superen los 25°C, Vout será +Vcc.

El operacional U3 es un comparador. Queremos que su Vout sea +Vcc para temperaturas mayores a los 35°C. A esta temperatura, la Vout del O1 es de 7V, que corresponde a V+ del operacional U3. Por esto, V- tendrá un valor de 7V. Así conseguiremos que se encienda el LED amarillo a partir de los 35°C, VoutO1 (nuestra V+) será mayor a V- a partir de esta temperatura.

El operacional U4 tiene como V+ V5, que sale del operacional U2 y, como V-, tiene Vout del operacional U3. Esto hace que, para temperatura mayores a los 25°C, su V+ sea un poco menor a +Vcc del operacional U2, ya que hemos puesto una resistencia que actúa como divisor de tensión (aunque seguirá siendo mayor a 0) y su V- sea –Vcc del

operacional U3, por lo que la Vout de este operacional será +Vcc y se encenderá el LED verde. Pero esto sucederá hasta que lleguemos a los 35°C, donde V- pasa a ser +Vcc del operacional U3. Como en este caso V+ es algo menor a +Vcc del operacional U2 y V- es +Vcc del operacional U3, V- será mayor a V+ y tendremos Vout del operacional U4 igual a –Vcc. Por lo que no el LED se apagará a partir de los 35°C. Resistencias: Partimos de que queremos una ganancia de 20 y de la ecuación:

𝐺=

𝑅𝑓 +1 𝑅

Elegimos R=1kΩ, por tanto, Rf=19 kΩ. También tenemos la ecuación:

𝑅𝑙 =

15𝑉 − 1,8𝑉 1,7𝑚𝑉

Y por último: R1=R2. Así pues, obtenemos la siguiente tabla: Tabla 3: Valores de las distintas resistencias.

Resistencia R RF RL1 RL2 RL3 R1 R2

Valor teórico (kΩ) 1 19 7,765 7,765 7,765 3,2 3,2

Valor medido (kΩ) 0,992 ± 0,001 18,533 ± 0,001 7,69 ± 0,01 7,65 ± 0,01 7,64 ± 0,01 3,723 ± 0,001 3,272 ± 0,001

3. Incluye una o varias gráficas en la que se vea la evolución de la temperatura en función del tiempo.

Para registrar la temperatura hemos montado el siguiente circuito en el programa LabVIEW:

Imagen 2: Diseño del circuito con LabVIEW

A continuación, hemos calentado el sensor con nuestros dedos y dejado enfriar una vez llegado a su máximo. Hemos obtenido el siguiente gráfico:

Imagen 3: Gráfico de la temperatura registrada la TAQ en función del tiempo.

En este gráfico vemos diferentes zonas importantes, el punto marcado con un 1 indica en qué momento nuestros dedos entran en contacto con el sensor y este se empieza a calentar, pasando de una temperatura constante alrededor de 29°C

(temperatura del aula) hasta llegar a 36°C, el máximo al que puede llegar con la temperatura del ser humano. Vemos que la temperatura sube más rápido al principio y luego más lentamente hasta estabilizarse. En el punto 3 podemos considerar que ha alcanzado su máximo y vemos como se mantiene estable hasta que en el punto 4 retiramos los dedos y vemos como la temperatura desciende de manera irregular. En los puntos 2 y 5 observamos la línea del gráfico mucho más gruesa, esto es una anomalía provocada por el LED al encenderse en el punto 2 y apagarse en el 4. Esto se puede deber a alguna irregularidad o falta de precisión al haber este cambio en el circuito.

3. CONCLUSIONES Podemos concluir que mediante el uso de diferentes componentes sencillos aplicados junto a amplificadores operacionales y sensores de diferentes tipos podemos crear circuitos con aplicaciones reales en diferentes campos. Podríamos realizar este mismo circuito afinando aún más los rangos de temperatura mediante más operadores y LEDs o incluso podríamos conectar el sensor LM35 a una reacción química sencilla o un aparato electrónico para detectar mediante el prendido de la luz de los LED que la reacción ha llegado a una temperatura o que un ordenador se está sobrecalentando, por ejemplo. Podemos además diseñar otros circuitos con la misma filosofía pero que pretendan medir magnitudes como el sonido creando micrófonos a través de membranas que vibrando transmitan el movimiento a un sistema de bobinas e imanes que generen una corriente eléctrica que pueda ser medida y llevada mediante TAQ a un ordenador....