Descripción
Los sensores de inclinación electrolíticos son dispositivos basados en fluidos que hacen que su salida sea susceptible a las variaciones de temperatura. El propósito de esta nota de aplicación es explicar cómo se puede lograr la compensación de la temperatura de la salida del sensor de inclinación electrolítico para producir una medición angular de máxima precisión.
Compensación de temperatura
La compensación de temperatura de un sensor de inclinación electrolítico tiene dos componentes:
- Compensación de temperatura nula
- Compensación de temperatura de escala (o sensibilidad)
La compensación de la temperatura nula se logra con un coeficiente de temperatura nulo. Este es un factor que varía de un sensor a otro y, por lo tanto, debe ser calibrado individualmente para cada sensor. Las unidades de este factor variarán dependiendo del tipo de salida. Por ejemplo, algunos sensores tienen una salida analógica de 0 a 5 V mientras que otros tendrán una salida decimal ASCII del ángulo de inclinación actual.
La compensación de la temperatura de escala se logra con un coeficiente de temperatura de escala. Este es un factor que es uniforme entre todos los sensores del mismo tipo. Tiene unidades de porcentaje de salida por grado C o %/°C.
El único otro requisito para la compensación de temperatura es la capacidad de leer la temperatura actual. Esta característica está disponible en todos los circuitos acondicionadores de señal TFC mediante el uso del MCP9700 de Microchip.
Compensación de temperatura nula
Para lograr una compensación de temperatura nula, primero debe calcularse un coeficiente de temperatura nula (debido a que el coeficiente varía para cada sensor individual, el TFC no puede proporcionarlo). Esto se logra mediante el ciclo de temperatura del sensor sobre el rango deseado y registrando la salida mientras el sensor permanece estacionario en nulo (0° de inclinación). En el TFC típicamente hacemos una calibración de 3 puntos a -20° C, +20° C, y +50° C.
Supongamos que tenemos un sensor de inclinación de doble eje de amplio rango TFC 0717-4318-99 situado a nulo a +20° C, impulsado por un acondicionador de señal digital TFC con una salida de 16 bits (0 a 65535). Tomamos una lectura y registramos la siguiente salida:
Salida a +20° C = 32768
Luego reducimos la temperatura a -20° C y permitimos que el sensor alcance la temperatura ambiente. Tomamos otra lectura y registramos la siguiente salida:
Salida a -20° C = 32738
Luego aumentamos la temperatura a +50° C y nuevamente permitimos que el sensor alcance la temperatura ambiente. Tomamos otra lectura y registramos la siguiente salida:
Salida a +50° C = 32798
Ahora podemos calcular un coeficiente de temperatura para temperaturas entre -20° C y +20° C y otro para temperaturas entre +20° C y +50° C usando la siguiente fórmula:
Coeficiente de temperatura = (salida a 20° C - salida a temperatura actual)/(20 - temperatura actual)
Completando los cálculos del ejemplo anterior, encontramos los siguientes dos coeficientes de temperatura:
Coeficiente de temperatura entre -20° C y +20° C = (32768 - 32738)/ (20° C - (-20° C)) = 30/40 = 0,75 cuentas/°C
Coeficiente de temperatura entre +20° C y +50° C = (32768 - 32798)/(20° C - 50° C) = (-30)/(-30) = 1 cuenta/°C
Una vez calculados los coeficientes de temperatura nula, se puede lograr una compensación de temperatura nula utilizando los coeficientes junto con la siguiente fórmula:
Salida compensada nula = (20 - temperatura actual)*(coeficiente de temperatura nula) + salida actual
Supongamos que tenemos el mismo sensor arriba en una posición desconocida donde su salida lee 35000 a una temperatura de +40°C. Podemos usar la fórmula de la salida compensada para completar los siguientes cálculos:
Salida compensada = (20° C - 40° C)*(1 cuenta/°C) + 35000 = -20 + 35000 = 34980
Es importante señalar que el desplazamiento nulo debido a la temperatura producirá un desplazamiento, y por lo tanto un error, en todo el rango del sensor si no se compensa.
Compensación de la temperatura de la escala
La compensación de la temperatura de escala puede lograrse utilizando el coeficiente de temperatura de escala proporcionado por el TFC junto con la siguiente fórmula:
Salida compensada de la escala =
(salida de corriente)*(20 - temperatura actual)*(coeficiente de temperatura de la escala) + salida de corriente
Supongamos que tenemos un sensor de inclinación electrolítica de un solo eje de rango medio 0703-1602-99 TFC. Este sensor tiene un coeficiente de temperatura de escala de 0,075%/°C. Ahora supongamos que la salida actual del sensor es de 5° de inclinación a una temperatura de -20° C:
(5° de inclinación)*(20° C - (-20° C))*(-0.00075) = (5° de inclinación)*(40° C)*(-0.00075) = -0.15° de inclinación
5° de inclinación + (-0,15° de inclinación) = 4,85° de inclinación
4,85° es, por lo tanto, su medición de la posición angular compensada por temperatura.
Aquí hay otro ejemplo. Esta vez supongamos que la salida del sensor actual es de -5° de inclinación a una temperatura de 40° C:
(-5° de inclinación)*(20° C - 40° C)*(-0.00075) = (-5° de inclinación)*(-20° C)*(-0.00075) = -0.075° de inclinación
-5° de inclinación + (-0,075° de inclinación) = -5,075° de inclinación
-5.075° es, por lo tanto, su medición de posición angular compensada por temperatura.
Es importante tener en cuenta el signo de la salida de corriente cuando se hacen cálculos para la compensación de la temperatura de la escala. Si se utiliza una placa acondicionadora de señales TFC que tiene una salida de 16 bits de 0 a 65535, esta salida tendrá que ser desplazada primero para que 0 sea el punto medio (esto se logra fácilmente restando 32768).
Compensación de temperatura completa
Para aplicar correctamente la compensación de temperatura, es necesario utilizar ambos componentes de la compensación de temperatura
juntos. Esto se hace utilizando la salida compensada nula para calcular la salida compensada de la escala:
Salida compensada
= (salida compensada nula * (20 - temperatura actual) * - coeficiente de escala)
+ salida compensada nula
Supongamos que tenemos el mismo sensor de doble eje 0717-4318-99 del ejemplo de compensación de temperatura nula
arriba. Recordemos que cuando el sensor se mantuvo en una posición desconocida a una temperatura de +40°C, la salida compensada nula fue de 34890. Terminemos la compensación de temperatura de esta medición aplicando la compensación de temperatura de escala.
Primero, tenemos que desplazar el valor bruto para asegurarnos de que el coeficiente de temperatura de la escala se calcula correctamente:
34890 − 32768 = 2122
El 0717-4318-99 tiene un coeficiente de temperatura de escala de 0,1%/°C. Usando esto y la salida compensada nula, podemos
ahora aplicar la compensación de la temperatura de la escala como se ha descrito anteriormente:
2122 * (20℃ – 40℃) * 0.001 = 2122 * -20℃ * -0.001 = 42.44
Salida compensada = 2122 + 42.44 = 2164.44 = 2164
Finalmente, sumamos para compensar lo que restamos antes para obtener nuestro resultado final de 16 bits sin firmar.
2164 + 32768 = 34932
Es importante asegurarse de usar ambos componentes de la compensación de temperatura en sus cálculos. Usando sólo
un componente puede tener resultados impredecibles, lo que a veces hace que la medición sea menos precisa que el resultado no compensado.