Desarrollo de un sensor para medir temperatura en aceite

En este artículo hablaremos acerca de las etapas del desarrollo de un sensor con alta precisión para medir la temperatura en aceite; usted conocerá las ventajas de emplear un termistor en aplicaciones como esta, comprenderá las etapas del desarrollo de productos electrónicos y conocerá un poco más de los servicios que INTESING puede brindarle para desarrollar o actualizar sus productos.

Antecedentes

Nuestro cliente experimenta algunas dificultades mientras utiliza un instrumento para medir temperatura en aceite, el cual es conectado a un equipo autorizado por el gobierno de su localidad, lo que significa que tiene pocas posibilidades de sustituirlo por otro instrumento comercial.

Su instrumento tiene una vida media de 1 año debido al desgaste y al uso inadecuado del operador, si presenta alguna descompostura solo puede reemplazarse el instrumento completo, no es posible repararse y el tiempo de entrega es demasiado largo; además el instrumento reporta en algunas condiciones desviación en las lecturas.

Los desafíos

¿Qué podemos hacer para tener un instrumento de medición que pueda repararse, con tiempo de entrega menor al actual y que reporte lecturas precisas, sin variaciones y fácil de calibrar? Utilizando el mismo equipo autorizado.

Nuestra solución

Desarrollar un sensor de temperatura de aceite contemplando los requisitos y las mejoras solicitadas

Fabricar el sensor con materiales más resistentes, desarrollando una cadena de suministro confiable.

Requisitos del cliente

Resistente a solventes y aceites.
Sonda reemplazable, flexible y delgada.
Rango de lectura de 0 a 200 °C.
Que reporte lecturas confiables.
Que el instrumento pueda someterse a calibración con una desviación menor a 1 °C en todo el intervalo de lectura.
Inmune a ruido e interferencias electromagnéticas.
Vida útil de al menos 3 años.
Indicador visual de funcionamiento.
Que pueda ajustarse.

Diseño del sistema

El sistema se diseña con un termistor, aunque este tipo de sensor es utilizado para rangos cortos debido a su curva exponencial; con algunas implementaciones apropiadas al circuito de acondicionamiento lograremos extender el rango de medición con buena resolución.

Una curva más lineal eliminará el ruido típico, las imprecisiones y variaciones en las lecturas; los termistores ofrecen ventajas importantes como son: una buena caracterización, bajo costo, no requieren cableado especial y responden rápidamente.

Conceptualización del hardware

Selección del sensor

Termistor NTC B4126

Ventajas de utilizar este tipo de termistor:

No requiere conectores o cableado especial, por lo que se puede instalar en una sonda de teflón.
No requiere compensación de unión fría.
Respuesta rápida.

Comportamiento del termistor

A continuación, se muestra una gráfica sobre el comportamiento del termistor, a partir de los datos de la ficha técnica, en un circuito divisor de voltaje típico.

Tabla tomada de la ficha técnica

Acondicionamiento de señal en un divisor de voltaje

En esta configuración el voltaje a medir tiene un comportamiento igual al del termistor, logarítmico.

Diseño mejorado

El circuito de acondicionamiento es simple, sin embargo, debido al comportamiento logarítmico, la perdida de resolución se vuelve muy importante a partir de los 120 °C. En esta sección analizaremos los cambios que se realizaron para mejorar significativamente la resolución en el rango de 100 °C a 200 °C manteniendo el circuito electrónico simple.

Es una práctica de INTESING incorporar en cada etapa elementos de protección y filtrado, así como elegir componentes confiables con menor susceptibilidad a ruido.

Explicación detallada de la etapa de acondicionamiento

En la siguiente imagen se explican los cambios realizados al circuito de acondicionamiento, las curvas de comportamiento después de la modificación y algunas simulaciones y cálculo de los voltajes obtenidos en puntos significativos del rango de medición.

Simulación en las condiciones de interés

Voltaje de referencia 3.2 V, resistencia de excitación 10 KOhm, resistencia en paralelo RP = 1 Kohm.

Sonda desconectada

Condiciones de 0 °C

Condiciones de 200 °C

Valor del termistor Rt = ∞

Se puede detectar sonda desconectada cuando el voltaje es mayor a 0.29 V

Valor del termistor Rt = 34.8 K

Es el valor más bajo de temperatura

dentro del intervalo de medición.

Voltaje esperado 284 mV

Valor del termistor Rt = 60.15 ohm

Es el valor más alto de temperatura

dentro del intervalo de medición.

Voltaje esperado 18.1mV

Análisis para la selección del Convertidor Analógico a Digital (ADC)

Para determinar las características de la digitalización consideraremos en principio la resolución mínima requerida debido al cambio de resistencia en las condiciones más extremas, que para un termistor NTC están en el rango de más temperatura, debido a que pequeños cambios en la resistencia representan un cambio de temperatura mayor que para el rango bajo de temperatura.

En este caso consideraremos el rango de 180 °C a 200 °C, que significa un cambio resistencia de 88.11 a 60.15 ohm, que en nuestro arreglo representa un cambio de voltaje de 25.7 mV a 18.15 mV.

Condiciones a 180°C

Condiciones a 200°C

El cambio de 180 °C a 200 °C representa un cambio de 25.7 mV a 18.1 mV.

Debemos tener en cuenta el requisito de poder detectar cambios de 0.02 °C, por lo que el convertidor deberá detectar cambios determinados por:

ΔV = (0.0257 – 0.0181) / (20 * 50) = 0.0076 / 1000 = .0000076 = 7.6 uV

Podemos elegir un convertidor de 16 bits y un rango de medición de 0.5 V, lo que nos dará una resolución de:

Resolución = 0.5 V / 2^16 = 0.5 / 65536 = 7.62 uV.

Puesto que la velocidad de conversión no es crítica, elegiremos el ADS111X, que es un convertidor de 16 bits que adicionalmente nos permite cambiar el rango de medición, entre otros, de 0.512 V a 0.256 V.

Así cuando la temperatura sea menor a 100 °C medir en el rango de 0.512 V y cuando la temperatura sea mayor a 100 °C podemos elegir el rango de 0.256 V y tener una resolución de 0.01 °C, para compensar ruidos en la alimentación y de interferencia y tener una resolución efectiva después de filtrado digital de 0.02 °C, libres de ruido.

Proceso y plataformas de desarrollo

En nuestro portafolio de soluciones podemos seleccionar de una gran variedad de microcontroladores de 16 o 32 bits con punto flotante.

Sin embargo, dado que este dispositivo requiere calibración y ajuste sin abrirlo, conviene que tenga conectividad inalámbrica.

Por lo anterior se seleccionará un procesador con conectividad inalámbrica, preferentemente un módulo con antena incluida que tenga las certificaciones FCC.

Seleccionaremos un módulo Espressif y sus herramientas oficiales de desarrollo

Diseño del PCB

Seleccionamos un envolvente.
Definimos acciones electrónicas: amplificación, digitalización, procesamiento y acondicionamiento de salida para empezar con el diseño del PCB.
Generamos el layout para delimitar el PCB, definir áreas que deben estar libres de componentes y puntos de fijación.
Realizamos distribución y acomodo de componentes.
De forma general se modela el PCB con conectores y componentes electrónicos de mayor tamaño para validar el ensamble y montaje en el envolvente.
Ruteamos las pistas.
Generamos archivos de fabricación del PCB y ensamble (PCBA).
Elaboramos la documentación (planos y procedimiento) para el ensamble.
Realizamos las guías de usuario.

Validación de ensamble

Antes de proceder a la fabricación del prototipo hacemos el modelado de la tarjeta con todos sus componentes electrónicos, arneses, envolvente y demás elementos, para validar que el ensamble sea factible para la etapa de fabricación.

También se utiliza el modelado para generar instrucciones de trabajo, planos y ficha técnica.

Cálculos en el firmware

Para obtener la temperatura a partir del valor de resistencia podemos seguir varios caminos.

Utilizar una tabla para conversión “Lookup table (LUT)”, que para no ocupar demasiada memoria podría mapear valores del termistor a intervalos de 0.1 °C y utilizar interpolación lineal en puntos intermedios.
También podemos utilizar las ecuaciones de Steinhart-Hart, y los parámetros que casi siempre proporciona el fabricante, aunque no todos proporcionan todos los coeficientes (A, B, C, D) para lograr una buena aproximación.
Utilizar una transformación de dominio x->y, utilizando la tabla del comportamiento de la resistencia y la temperatura que utilizamos como punto de referencia en reporte, empleando un algoritmo computacional para el ajuste de curvas. Puesto que este algoritmo lo utilizamos para realizar el ajuste de la respuesta de los sensores y dado que no hay perdida de resolución porque es una interpolación continua, seleccionaremos esta solución. El ajuste será bueno porque tenemos más de 10 puntos de ajuste para el intervalo, seleccionaremos este método. Adicionalmente, tendremos el beneficio de que podemos emplear el algoritmo en una segunda etapa para compensar la variación entre termistores.

El valor del ADC es el voltaje en la resistencia equivalente (termistor y RP de 1K), puesto que tenemos un buffer de entrada con una ganancia unitaria.

La resistencia equivalente entonces es Req = Vadc / Iref, adonde Iref es la corriente que pasa por la resistencia de excitación

Iref = (Vref – Vadc ) / Rref = (3.2V – Vadc) /10000

De esta manera, al tener el valor de Req, podemos obtener el valor del termistor considerando que está en paralelo con un valor conocido (1 Kohm) 1/Req = (1/Rt) + (1/1000) -> Rt = 1 / (1/Req – 1/1000)

Es importante emplear componentes de una precisión del 0.1% para resistores de excitación y en paralelo del termistor a fin de que no afecten la exactitud de los valores calculados.

Monitoreo y ajuste inalámbrico

Se seleccionó Bluetooth tradicional para poder establecer un vínculo de comunicación serial con el dispositivo y realizar mediante comando consultas de temperatura y para fines de validación consultar el voltaje medido y la resistencia del termistor calculada.

Modelo y documentación del producto

Producto final

Conclusiones

Se concluyó satisfactoriamente con el desarrollo de un producto que cumple con las especificaciones solicitadas.

En este caso, los requisitos son claros y están bien definidos y se genera un producto con nivel de madurez tecnológica TRL7. Se fabrica un lote inicial que es entregado al cliente. Después de su uso y evaluación seguiremos madurando el producto para extenderlo a otros mercados.

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