Sistema de medición de temperatura sin contacto con el proceso.

Custodio, Ángel Balza, Zahyra

Dr. Ángel Custodio: Profesor Agregado en el Dpto. de Ingeniería Electrónica de la UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz, Final Calle China, Alta vista Sur, Puerto Ordaz, telefax 0286- 9621205, correo electrónico cicunexpo@gmail.com

Ing. Zahyra Balza: desempeña sus actividades en el Centro de Instrumentación y Control de la UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz, telef. 0286-9617265, correo electrónico zbalza@poz.unexpo.edu.ve.

Resumen

El propósito fundamental de esta investigación, fue desarrollar un sistema de medición de temperatura que no tenga contacto con el proceso de interés, mediante el uso de un sensor de temperatura infrarrojo. Entre los objetivos específicos se encuentran: entender el principio de funcionamiento de la medida de temperatura a través de energía infrarroja, caracterización del sensor, diseño del circuito electrónico acondicionador de la señal, llegándose al desarrollo completo del diseño del circuito electrónico (hardware y software) en el que se establezcan los elementos fundamentales de este sistema de medida. Se trabajó metodológicamente la investigación como experimental de laboratorio, empleándose como instrumentos de recolección de datos la observación y la documentación. Los errores obtenidos en el sistema de medida no superan el 0,4% y en el caso del error de cero resultó de 0,1 %. El error de no linealidad no superó el 0,5 %. El resultado de esta investigación representa una primera aproximación a un prototipo de instrumento para la medición de temperatura a través de la energía infrarroja, sin que haya contacto entre el sensor y el proceso de interés.

Palabras clave: Medición de temperatura sin contacto con proceso/ Pirómetro /Termómetro infrarrojo.

Temperature measurement system without contact with the process

Summary

The fundamental purpose of this investigation was that of developing a temperature measurement system that does not have contact with the process of interest, by means of the use of a sensor of infrared temperature. Among the specific objectives they are found: to understand the principle of operation of the measure of temperature through infrared energy, characterization of the sensor, design of the circuit electronic conditioner of the sign, being arrived al complete development of the design of the electronic circuit (hardware and software) where the fundamental elements of this system of measure be established. It investigation was experimental of laboratory, being employed like data harvesting instruments the observation, the documentation. The errors obtained in the system of measure do not surpass the 0,4 %, and in the case of the error of zero resulted of 0,1 %. The error of not linearity did not surpass the 0,5 %. The result of this investigation represents a first approximation to a prototype of instrument for the measurement of temperature through the infrared energy, without there be contact between the sensor and the process of interest.

Key words: Measurement Without Contact With Process/ Pyrometer /Thermometer Infrared.

Finalizado: 2005/04/28 Recibido: 2005/05/24 Aceptado: 2006/01/18

I. INTRODUCCIÓN.

Es un hecho conocido que todos los cuerpos emiten ondas electromagnéticas, o radiación, dependiendo de su temperatura. Durante la dispersión de la radiación se transporta energía, lo que significa que se puede utilizar la radiación para medir sin contacto la temperatura de un cuerpo. La energía radiada y sus longitudes de onda características dependen principalmente de la temperatura del cuerpo radiante. La capacidad de medir temperatura mediante un equipo que no requiera contacto físico, permite cuantificar la magnitud de algún problema sin interrumpir la operación del equipo, contar con información confiable para tomar acciones oportunas y evitar así fallas de componentes críticos que pudieran poner fuera de operación algún proceso de importancia en la empresa. Esta técnica da la pauta para implantar acciones dentro de los programas de mantenimiento predictivo, con el fin de planificar el reemplazo de los componentes detectados en mal estado.

En este proyecto se diseñó un prototipo de un equipo que mide temperatura sin establecer contacto físico con el proceso de interés. Para ello se siguió con el siguiente procedimiento científico: primero se verificó la teoría y los desarrollos realizados por otros investigadores sobre el tema; luego se procedió a desarrollar un circuito electrónico basado en sensores infrarrojos cuya salida sea proporcional a la señal recibida; seguidamente se realizó un procedimiento experimental con el fin de probar el circuito propuesto para la medida de temperatura; y finalmente se analizaron los resultados y se concluyó el trabajo.

I. DESARROLLO

1. Antecedentes

La radiación infrarroja fue descubierta por el astrónomo ingles de origen alemán William Herschel (1738-1822) en 1800, al medir la alta temperatura más allá de la zona roja del espectro visible. Herschel descubrió la existencia de la luz infrarroja haciendo pasar luz solar a través de un prisma de vidrio donde es dispersada en un arco iris de colores denominado espectro. [1]

En la actualidad existen numerosas compañías que se dedican a la fabricación de instrumentos de medición de temperatura sin contacto de alta tecnología, pero muchos de sus desarrollos son secretos industriales.

Dentro del campo de la investigación existen organismos destinados al estudio de esta tecnología en particular, como el CIDA de España. El Centro de Investigación y Desarrollo de la Armada (CIDA) tiene una amplia experiencia en el Área de Optoelectrónica. Actualmente sus actividades se han enfocados al desarrollo de detectores de radiación infrarroja de longitudes de onda comprendida entre las 3 y 5 micras. Según el Departamento de Investigación del CIDA, [2] “Actualmente se trabaja en la realización del proyecto “Sensores IR”, aprobado en 1996 con una duración prevista de 10 años y el objetivo final de adquirir el conocimiento científico y tecnológico necesario para el procesado de matrices de media densidad (hasta 64x64 elementos) de detectores de PbSe policristalino con su electrónica de lectura integrada”.

2. Metodología

Durante este trabajo de investigación se procedió a estudiar el principio de funcionamiento del sensor de temperatura infrarrojo SMTIR9902 de la Compañía Smartec [3]. Se trabajó basándose en dos etapas. La primera consistió en el estudio de la respuesta del sensor en función de la temperatura (radiación emitida por un cuerpo caliente). El cuerpo caliente está representado por un cilindro de plástico PVC con un bombillo en su interior, controlándose la temperatura mediante un regulador electrónico de potencia.

La segunda etapa se enfocó en la adquisición de la señal procedente del sensor que consta de la amplificación, acondicionamiento y diseño de un circuito para poder entrar información al PC a través de la UTI (Universal Interface Transducer) [4]. La UTI es un sistema que permite convertir la señal proveniente del sistema de adquisición a una señal digital. Asimismo, se procedió a analizar el efecto de la UTI sobre el sistema de medida, todo esto mediante el estudio de los errores medidos en el sistema.

Para caracterizar al sensor, se procedió a colocarlo a una distancia de 10 cm. del objeto cuya temperatura se deseaba medir, y gradualmente se fue aumentando la temperatura y tomando la lectura de la señal de salida del sensor. Cabe destacar que esta señal está en el orden de los milivoltios y que se trabajó en un rango de 25ºC a 80ºC. Para medir la temperatura de referencia se empleó un termómetro digital fijado al objeto de prueba (ver Figura 1), de tal forma que quede en la mira del sensor infrarrojo. El sistema consistió de un emisor de radiación formado por un tubo PVC de 5” de diámetro en cuyo interior estaba un bombillo de 100 W, cuya potencia era regulada por a través de un sistema de control electrónico. De tal forma que se podía controlar la potencia radiada por el bombillo y consecuentemente la radiación del tubo PVC. Fijado al tubo se colocó un sensor tipo termopar K, conectado al termómetro de temperatura patrón. En la mira del sensor y ubicado a 10 cm, se ubicó al sensor infrarrojo, montado en un tubo cilíndrico de plástico negro de 5 mm de diámetro y 2 cm de largo, con el fin de que sólo recibiera la radiación emitida por el objeto de interés. Se utilizó una lente de enfoque universal para garantizar una mira de un área circular de 1 cm de diámetro sobre la superficie del tubo PVC, justo donde está el sensor termopar K patrón. La salida del sensor se conectó a un medidor de tensión de precisión, con una resolución de 0,01 mV.

Figura 1 Sistema de prueba. 1) Control electrónico de potencia del bombillo, 2) Tubo de plástico PVC, 3) Sensor, 4) Multímetro digital, 5) Termómetro digital patrón

3. Resultados

3.1. Estimación de la Radiación Emitida.

Con el experimento anterior, se puede realizar una aproximación de la radiación emitida por el objeto que se puede obtener al aplicar la Ley de Stefan Boltzman [5-7] para la radiación del cuerpo negro, que es la base para los pirómetros de radiación.

donde, e que es la emisividad del cuerpo, siempre será 0 £ e £ 1 . En este caso, la emisividad para plásticos de PVC tiene un valor de 0,95 de acuerdo con [8], s es la constante de Boltzman, con un valor de 5,67´10-8W / m2K4, T representa la temperatura del cuerpo en Kelvin. Con todos estos datos se puede calcular entonces la radiación equivalente para cada temperatura leída. La Tabla I muestra la radiación emitida y estimada por (1), y la tensión experimental generada por el sensor infrarrojo medida con un voltímetro con resolución de 0,01 mV.

Tabla I. Tensión de salida experimental del sensor en función de la temperatura. La radiación emitida fue estimada mediante (1)

Con los datos obtenidos (Tabla I) se procedió a graficar Vsensor vs T, obteniéndose una relación lineal con un error de no linealidad referido a fondo escala, calculado por el método de los mínimos cuadrados, inferior a 0,5 %.

3.2. Diseño del Hardware.

Consiste básicamente en dos etapas, una en la que se amplifica y acondiciona la señal proveniente del sensor, y otra en la que se multiplexa la señal para poder entrar al PC mediante la UTI, empleando para este caso el hardware de adquisición desarrollado en el proyecto de Sistema de Adquisición Múltiple de Señales Analógicas basado en Conversión Digital Directa. [9]. (Figuras 2 y 3).

Figura 2. Circuito de Acondicionamiento diseñado para amplificar la señal en milivolt del sensor en una tensión adecuada para el sistema de conexión al computador.

Figura 3. Diagrama del circuito de multiplexación de la señal necesario para acoplar la salida del sistema de acondicionamiento dado por la figura 2 directamente aun microcontrolador.

3.3. Cálculo de errores en el sistema de medida.

Los resultados de la investigación se presentan en forma de figuras y tablas con los valores más representativos de cada una de las mediciones realizadas. El circuito de acondicionamiento de la señal consta de un bloque isotérmico que tiene la función de compensar la temperatura ambiente del sensor, tomando como elemento compensador la RTD contenida dentro de él. El AD620 es un amplificador de instrumentación que permite lograr una amplificación adecuada de la señal de entrada. Para multiplexar la señal y que sea apta para entrar a la UTI se emplearon multiplexores analógicos 4052. El desempeño en esta etapa del circuito de acondicionamiento es óptimo, ya que sin mayores inconvenientes se pudo adquirir la señal y posteriormente transmitirla al computador. Como se tienen muchos datos correspondientes a las mediciones tomadas, se calculó para cada uno de ellos la media y sobre la base de ella se hizo el cálculo de los errores. En el computador se visualizó la señal captada por el sensor pero expresada en ºC, realizando una conversión proporcional a la tensión recibida por el sistema dado por los circuitos expuestos en la Figuras 2 y 3. Son tres los tipos de errores que se estiman para este sistema de medida, el error de cero, el de no linealidad y el total referido a fondo de escala. Se tomaron como medidas significativas los valores en las temperaturas correspondientes, desde 25ºC hasta 80ºC, en pasos de 5 ºC. Considerando V0teorico como la temperatura dada por el termómetro patrón y V0exp como la temperatura mostrada en el computador y proveniente del sistema basado en sensor infrarrojo, se puede estimar el error de cero mediante (2) y tomando el valor mínimo de lectura, es decir, V0teorico = 25,0 ºC. El error en este caso fue de (0,10 ± 0,01) ºC

El error de no linealidad calculado mediante (3) se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Error de no linealidad para el sistema de medición.

Para el cálculo de este error se procedió a linealizar por el método de los mínimos cuadrados los datos experimentales, y luego comparar los valores experimentales obtenidos (V0Exp) por aquellos dados por esta relación lineal (V0Exp_linealizado). El error total se calcula a partir del error de fondo de escala, mediante (4), obteniéndose lo indicado en la Figura 5.

Figura 5. Error de fondo de escala del sistema.

4. Análisis de los resultados

Se puede observar que los errores del sistema de medida son aceptables. En el caso del error de cero para el sistema se obtuvo un valor de 0,1 %. El error de no linealidad para el sistema no superó el 0, 5%, lo cual representa un margen admisible del error. Puede observarse que el prototipo diseñado funciona con errores que representan resoluciones de hasta 8 bits, lo cual es aceptable como medio de lectura instantánea de temperatura. La existencia de errores está determinada por el procedimiento experimental utilizado, ya que no se disponía inicialmente de la tecnología y el conocimiento preciso del comportamiento y funcionamiento de este tipo de dispositivos. Por tanto el desarrollo representa un primer paso que logró reducir los errores a valores aceptables.

III. CONCLUSIONES

1. El error obtenido se mantuvo por debajo del 0,5 % dentro del margen de media, lo cual es bastante aceptable para muchas aplicaciones.

2. Los problemas presentados se refieren a la disposición física del prototipo y no a los circuitos electrónicos desarrollados.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado parcialmente por FUNDACITE GUAYANA y la UNEXPO Puerto Ordaz.

IV. REFERENCIAS

1. Herschel y Spitzer: http://www.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/herschel/herschel_bio.shtml. última consulta 2004.        [ Links ]

2. Montojo, M.T., Vergara, G., (2004). Departamento de Investigación del Cida. http://www.fisicaysociedad.es/view/default.asp?cat=544 & id=335. última consulta 2004.        [ Links ]

3. Sensor Infrarrojo, Smartec. http://www.smartec.nl. última consulta 2004.        [ Links ]

4. UTI, Smartec. http://www.smartec.nl. última consulta 2004.        [ Links ]

5. Creus, A., "Instrumentación Industrial”. 6° Edición, Barcelona, España, Editorial Marcombo, 1997, 354 pp.        [ Links ]

6. Pallás, A., “Sensores y Acondicionadores de Señal”. 2° Edición, Barcelona, España, Editorial Marcombo, 1994, 342 pp.        [ Links ]

7. Göspel, W., Hesse, J., Zemel, J., “Sensors. A Comprehensive Survey”. Volumen 4. Thermal Sensors. Volume Editors J. Scholz and T. Ricolfi. Editorial: VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim (Federal Republic of Germany), 1990, p. 235.        [ Links ]

8. http://www.testo.de/ES/es/lib/upload/34carmen_105403234 3890_1.pdf, Última consulta 2004.        [ Links ]

9. Torres, R., “Sistema de adquisición de múltiples señales basado en conversión digital directa”, Ciudad Guayana, UNEXPO Puerto Ordaz, 2004, 345 pp.        [ Links ]