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Técnicas Electrónicas de Medida

Obtención de la constante de tiempo de una célula de efecto Peltier.

Autor:

Partes de la memoria:

• Objetivos

• Introducción teórica del principio de funcionamiento del transductor utilizado.

• Diseño del sistema.

• Evaluación de su funcionamiento.

• Soluciones alternativas.

• Conclusiones.

• Bibliografía utilizada.

• Anexo 1: Funcionamiento de las células Peltier.

• Anexo 2: Datasheet del LM-35.

Objetivos:

Se pretende diseñar e implementar un sistema de test automático de la respuesta temporal de un refrigerador termoeléctrico ( Célula Peltier ). La implementación se realizará mediante HP-VEE controlando la tarjeta de adquisición de datos para realizar la medida de la temperatura de la célula..El test consistirá en la aplicación de un escalón de corriente a la célula Peltier mediante la salida digital de la tarjeta y un relé, y la representación (y almacenamiento) de la respuesta temporal de dicho dispositivo. Del análisis de la respuesta se obtendrán los parámetros característicos de la célula (ganancia y constante de tiempo).

Introducción teórica del principio de funcionamiento del transductor utilizado:

Puede utilizarse bien con alimentación simple o mediante alimentación positiva y negativa El C.I LM35 es un circuito integrado de precisión que actúa como un sensor de temperatura calibrado directamente en grados centígrados, Su tensión de salida es lineal y proporcional a la escala celsius de temperatura, por tanto el LM35 posee la ventaja, frente a los C.I integrados calibrados en grados Kelvin, de que no necesita sustraer una tensión constante elevada de su salida para ajustarse a una escala centígrada.

Como ventaja adicional, el LM35 no requiere de circuitos adicionales para su calibración externa cuando se desea obtener una precisión del orden de ±1/4 ºC a la temperatura ambiente, y ±3/4 ºC en un rango de temperatura desde 55 a 150 ºC.

La baja impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración inherente hace posible una fácil instalación en un circuito de control.

Debido a su baja corriente de alimentación (60uA), se produce un efecto de autocalentamiento reducido, menos de 0.1 ºC en situación de aire estacionario, El LM35 esta diseñado para trabajar en un rango de temperatura e -55 a 150 ºC.

Diseño del sistema:

• Diagrama de bloques:

• Esquema detallado:

Nota: Escalón es una salida digital de la tarjeta de adquisición de datos.Señal acondicionada es una entrada analógica de la tarjeta de adquisición de datos.

• Cálculos:

Cálculo de la ganancia del amplificador operacional en modo no inversor para obtener una salida de un rango de entre 0 y 5V:

Sensibilidad de entrada = 10mV/ºC Sensibilidad de salida = 10V/25ºC= 400mV/ºC

Ganancia = S.salida/ S.entrada= 40 Ganancia = 1+ (R2/R1) => R1=1K, R2= 39K

Cálculo de la resistencia de base:

Rb=(5-0.7)/500uA=8600....>10K

Cálculo de la constante de tiempo de la célula:

En los sistemas de primer orden la constante de tiempo se puede obtener adoptando varios criterios, todos basados en el tiempo de establecimiento, nosotros utilizaremos el criterio de 98%, el cual dice que para un tiempo de establecimiento del 98% la constante de tiempo es igual a la cuarta parte del mismo. También podemos acogernos al criterio del 63%, con lo cual obtendríamos directamente tau o el criterio del 99% con el que obtendríamos 5ðð

Te(98%)=4ð

En nuestro caso como la temperatura del sistema irá en descenso, aunque seguirá siendo de primer orden, no tenemos más que invertir el gráfico anterior para obtener el sistema equivalente. El sistema resultante es una exponencial decreciente de valor máximo 10V=25ºC y valor mínimo 0V=0ºC.

• Programación:

El programa a implementar en HP-VEE será básicamente un programa que adquiera datos desde una entrada analógica y los almacene. También deberá poder controlar una salida digital.

El cálculo de la constante de tiempo se realizará mediante la búsqueda por aproximaciones en una matriz que contendrá los datos guardados.

Diagrama de los bloques funcionales del programa en HP-VEE:

Podemos ver en el diagrama que cuando conectamos el sistema mediante el Start, el programa pone una salida digital a “1” lógico para accionar el relé que alimenta a la célula Peltier. Por otro lado y una vez puesta a uno la salida digital se empieza a leer la entrada analógica y a almacenar los datos en un colector.

Una vez que el sistema llega al establecimiento paramos mediante el Stop y el programa antes de pararse lo que hará será, en primer lugar poner la salida digital a 0 lógico, al mismo tiempo que se colectan los datos y se busca por aproximaciones el valor del 1% mayor que el valor mínimo, entonces se calcula el tiempo de establecimiento basándonos en la relación que existe entre el tiempo que tarda en adquirir los datos y lo datos que ha adquirido hasta el valor deseado.

• Evaluación de su funcionamiento(limitaciones, errores...):

El funcionamiento del programa es bastante bueno debido a que la respuesta del sistema es por su naturaleza considerablemente lenta.

Los errores introducidos por el acoplo de señales es evidente, sobretodo si miramos la gráfica de los datos adquiridos podemos ver como la señal resultante está dentada, lo cual denota un acoplo de ruido considerable, este ruido afectará directamente en la evaluación final del sistema.

Otro error a considerar es que por la construcción del montaje la constante de tiempo que estamos calculando no es la de la propia célula Peltier, si no del sistema célula-sensor, puesto que el sensor tiene un retardo en la medida de la temperatura debido a que los materiales que lo conforman tienen una cierta histéresis, por llamarlo así, y por lo tanto al tiempo de establecimiento de la célula tendremos que sumarle el tiempo de establecimiento del sensor.

Soluciones alternativas:

En cuanto a las soluciones alternativas que podríamos haber adoptado hubiesen sido soluciones del tipo; utilizar otra tarjeta de adquisición, utilizar otro programa para el tratamiento de la señal, emplear un sensor de temperatura diferente (AD590, LM335....).

Otro tipo de soluciones podrían haber sido; Utilizar para la medida un osciloscopio utilizando las funciones especiales para este tipo de lecturas y hacer el cálculo de la constante de tiempo a mano, utilizando los cursores.

Conclusiones:

Como primera conclusión podemos decir que este tipo de sistemas no sirven para efectuar cambios de temperatura rápidos, pero si con una velocidad aceptable, más rápida que los refrigeradores convencionales de gas.

Las células Peltier por si solas no sobrepasan la barrera de los 0ºC aunque tienen capacidad para ello, por lo tanto llegamos a la conclusión que el efecto de calor de la cara caliente afecta directamente a la temperatura de la cara fría. Este efecto lo podemos eliminar poniendo un radiador de aluminio o cobre, un disipador con aire forzado o en caso extremo, un disipador refrigerado por agua.

Este tipo de montajes cabe tener en cuenta la temperatura ambiente a la que se ensayan, puesto que no es lo mismo que la cara fría esté a una temperatura inicial de 25ºC a que esté a 0ºC o 40ºC como temperaturas de ambiente. Podríamos llegar a ciertas conclusiones si estudiásemos el fenómeno inverso, con una temperatura ambiente de 25ºC obtener la constante de tiempo de la cara caliente.

Anexo 1: Descripción del funcionamiento de las células Peltier.

Fundamentos teóricos del efecto termoeléctrico.

Introducción: 

El que una cadena de soldaduras de dos metales distintos produce una corriente eléctrica cuando existe una diferencia de temperatura entre soldaduras alternativas es conocido desde que el físico alemán Thomas Johann Seebek descubrió en 1821 el efecto que lleva su nombre. Poco después el francés Jean Charles Peltier descubrió en 1834 el fenómeno que puede denominarse inverso. Al pasar una corriente a través de un circuito de dos metales soldados, una de las soldaduras se enfría mientras la otra se calienta, actuando el sistema como una ``bomba de calor". El efecto Thomson, descubierto por Lord Kelvin en 1854, completó los descubrimientos anteriores. Este efecto se produce en un circuito de un único material conductor, según el sentido de paso de la corriente eléctrica, el conductor emite o absorbe calor.  
 

Unión de Soldaduras N-P

Fundamentos de la teoría termoeléctrica: 

Flujo de Calor

Funcionamiento y diseño de un Elemento Termoeléctrico (ETE):
 

Elemento Termoeléctrico. 

  
Un convertidor termoelectrónico moderno se compone de dos pequeñas piezas semiconductoras A y B, una del tipo n (cargas libres) y la otra del tipo p (huecos libres), unidas en uno de sus extremos mediante una unión metálica o soldadura, si esta soldadura se somete a una fuente de calor, manteniéndose a una temperatura (caliente ( Tc ) mientras que las demás se mantienen a una temperatura mas fría ( Tf ), se produce una pequeña fuerza electromotriz que genera una corriente eléctrica en el circuito. 
  

Célula de efecto Peltier

De forma parecida, debido al efecto Peltier, si se hace pasar una corriente por el circuito de uniones semiconductoras p-n y n-p. Unas se calientan y otras se enfrían, produciéndose un gradiente de temperatura entre las placas. 

El ETE consta de un número variable de soldaduras colocadas en serie eléctricamente pero en paralelo desde el punto de vista térmico actúa como una pequeña bomba de calor en estado sólido. 

Refrigeración Termoeléctrica - Descripción:

En el estudio de aplicaciones que pueden usar la refrigeración termoeléctrica, así como la elaboración de diferentes equipos de refrigeración que satisfagan las necesidades actuales en este campo hay que tener en cuenta que la refrigeración por métodos termoeléctricos podría sustituir en bastantes casos a los sistemas de refrigeración actuales, eliminando así el uso de los CFC, gases contaminantes que destruyen de la capa de ozono. Además de esta, la refrigeración termoeléctrica posee diversas ventajas, entre las que se pueden destacar: 

• Producción de frío y calor indistintamente simplemente invirtiendo la polaridad de la tensión aplicada.

• Ser totalmente silenciosas, así como no producir vibraciones.

• Fácil variación de la potencia refrigerante, actuando sobre la tensión de alimentación.

• No necesitan mantenimiento.

• No posee elementos móviles.

• Asegura la estanqueidad del elemento a refrigerar.

• Puede funcionar en cualquier posición.

En función de las características de la refrigeración termoeléctrica expuestas, el campo de estudio y aplicación de esta es muy amplio. Es posible el estudio de aplicaciones concretas tales como: refrigeración de cuadros eléctricos, refrigeración de frigoríficos portátiles. 

Son importantes las aplicaciones alternativas que puedan utilizar termoeléctrico, como pueden ser aplicaciones en medicina, sistemas de refrigeración de aire acondicionado para habitáculos reducidos, etc. 

Un ETE, ver figura, estaría compuesto por un conjunto de células termoeléctricas fijadas sobre un sistema de disipación (fuente caliente), compuesto por un disipador y un conjunto de ventiladores, cuya misión es la de evacuar por convección forzada la mayor cantidad de calor posible. 

Por la otra cara de las células termoeléctricas actúa un sistema de conducción de calor desde la fuente fría, compuesto por un disipador y un conjunto de bloques transmisores de ajuste. Este ultimo tiene la doble misión de fijar las células termoeléctricas y procurar una conducción adecuada de calor desde la fuente fría. 

No obstante el equipo variará en función de las necesidades del propio elemento a refrigerar. 

El rendimiento del equipo refrigerante termoeléctrico ira en función de varios factores: buen asentamiento de las células termoeléctricas tanto en el disipador del lado caliente como en el bloque de ajuste, para evitar perdidas, en cuanto a los disipadores deben poseer un coeficiente de conductividad adecuado y una superficie lo más grande posible, para que la evacuación de calor sea efectiva, procurando al disipador de calor una convección forzada suficiente, para facilitar la emisión de calor al exterior, por que cuanto mas baja mantengamos la temperatura del lado caliente menores temperaturas obtendremos en lado frío, dado que el salto térmico de las células termoeléctricas permanece aproximadamente constante, también es importante calcular la intensidad de funcionamiento optimo, para obtener el máximo rendimiento. 

Esto es de fundamental importancia para poder competir en mercados internacionales, ya que debido la gran sensibilidad del rendimiento de los sistemas en función del montaje idóneo.  

Elementos similares, bien o mal elaborados, pueden tener grandes diferencias tanto en cuanto al salto térmico máximo, como a la potencia refrigeradora. 

Dentro de la instalación termoeléctrica frigorífica conviene definir un parámetro, en función de las características especificas de los elementos empleados como conductores en dicha instalación, y buscar la relación de este con el rendimiento térmico de la instalación. Estas son las curvas de rendimiento de los materiales termoeléctricos. 

Curvas de Rendimiento de materiales Termoeléctricos

Descripción de una placa termoeléctrica. 
  
Una célula o placa termoeléctrica, está constituida por una serie de elementos semiconductores de tipos  N y P, que están dispuestos sobre una superficie cerámica, eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. El número de semiconductores siempre es impar, y los más utilizados forman un conjunto de 7 - 31 - 71 - 127 elementos. 
A algunas células termoeléctricas en el montaje se les aplica doble barrera de níquel, con la finalidad de evitar un rápido deterioro en un constante cambio de tensiones. 
 

Célula de Efecto Peltier

Elementos que la constituyen 

Las células convencionales que se comercializan en el mercado, esencialmente están compuestas por dos tipos de elementos semiconductores, Telururo de Bismuto y el Seleniuro de Antimonio. Debido a la escasez de alguno de los componentes y a su baja producción, el coste de estos aun es elevado en el mercado. Las placas cerámicas que están dispuestas en ambas caras llevan pistas de cobre que permiten unir los semiconductores en eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. 
 

Esquema de una unión N-P

Tipos de placas (Efecto Seebeck - Efecto Peltier) 

Existen en el mercado dos tipos de placas que se utilizan para generar una corriente eléctrica, las llamadas placas de efecto Peltier o conocidas también con el nombre de placas termoeléctricas y las llamadas placas de efecto Seebeck. 
Las placas de efecto Peltier son las más utilizadas debido a que su coste en el mercado cada vez es menor y sus aplicaciones para el mercado del consumo se incrementan día a día. Las placas de efecto Seebeck, son placas de alto coste,  que prometen ser importantes en un futuro no muy lejano y permiten recuperar energía de focos calientes.

Anexo 2: Datasheet del LM-35.

A continuación incluimos en la memoria el datasheet del sensor de temperatura LM35 de la marca National, que es el que hemos utilizado para la medida de la temperatura en la célula de efecto Peltier.

Bibliografía:

http://scsx01.sc.ehu.es/nmwmigaj/PELTIER.htm

Automatización de procesos industriales, Emilio García Moreno

Apuntes de Técnicas electrónicas de medida, curso 01-02.

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Respuesta temporal de la célula Peltier.