CONTROL DE TEMPERATURA DE UN HORNO.

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FACULTAD DE INGENIERÍA MECATRONICA

CONTROL DE TEMPERATURA DE UN HORNO

Temperature control of a furnace

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Larrea Vizcarra David Alberto; Gonzales Aroste Juan Carlos; Bello Cerna Johnny;  Sánchez Lorenzo José

Facultad de Ingeniería Mecatrónica, Universidad Privada del Norte, Perú.

RESUMEN

En un horno industrial por resistencia se produce calentamiento debido al paso de la corriente por esta, lo que puede provocar que el producto se queme y esto causa daños al equipo y a la producción de las piezas. Para evitar tales problemas se propone en este trabajo de investigación controlar la temperatura mediante el uso de un extractor de aire. Al extractor se le aplicará un voltaje proporcional al grado de enfriamiento requerido. Entre más se aleje del valor deseado la temperatura del recinto, mayor será el voltaje aplicado al motor del extractor, de manera que la velocidad del motor dependerá de la cantidad de enfriamiento necesario.

El nivel de temperatura se mide con un sensor LM35 que entrega 10 mili volts por cada grado centígrado; este voltaje es enviado a una tarjeta de adquisición de datos (Arduino) que ejecuta un control PID (Proporcional, Integrador y Derivativo) que envía hacia el motor el voltaje indispensable para que gire a la velocidad requerida para que mantenga la temperatura en el nivel deseado. Con este sistema se logra una reducción gradual de la temperatura hasta alcanzar el nivel propuesto, el cual es seleccionado por el usuario mediante la interfaz gráfica. Así se alcanzará una mayor eficiencia en el uso de la energía eléctrica en el extractor, ya que sólo se activará cuando sea necesario y se le entregará únicamente la energía requerida para la velocidad determinada por el control PID.

Palabras clave: Arduino, control de temperatura, control PID, sensor de temperatura.

ABSTRACT

In an industrial furnace for heating resistance it occurs due to the passage of current through this, which can cause burning of the product and this causes damage to equipment and production parts. To avoid such problems is proposed in this research to control the temperature by using an exhaust fan. The extractor will be applied proportional to the degree of cooling required voltage. The more desired to move away from the room temperature value, the higher the voltage applied to the pump motor so that the motor speed will depend on the amount of cooling required.

The temperature level is measured by a sensor LM35 delivering 10 millivolts per degree Celsius; This voltage is sent to a card data acquisition (Arduino) that executes a PID control (Proportional, Integrative and Derivative) that sends to the engine the necessary voltage to turn the speed required to maintain the temperature at the desired level. With this system a gradual reduction in temperature is achieved up to the level proposed by the user which is selected using the graphical interface. So achieve greater efficiency in the use of electrical energy in the exhaust, as will be activated only when necessary and given only the energy required for the speed determined by the PID control.

Keywords: Arduino, temperature control, PID control, temperature sensor.

1. INTRODUCCIÓN

Para disminuir el calentamiento en un recinto se pueden usar ventiladores, extractores de aire y sistemas de aire acondicionado. Desde el punto de vista económico e industrial es más conveniente utilizar extractores, ya que son de un costo moderado y son más usados en la industria. Estos emplean menos energía eléctrica que los sistemas de aire acondicionado y ventiladores. Por lo general, los extractores extraen el aire caliente de un ambiente de una habitación a través de un sistema manual de encendido/apagado. Esto no es muy eficiente puesto que los extractores mantendrán su máxima velocidad. No es recomendable que un extractor siempre esté funcionando, porque consumiría permanentemente el mismo nivel de energía eléctrica aun en los momentos en que no se requiera que funcione a su máxima velocidad. Se puede lograr un ahorro considerable de energía si sólo se le entrega a un extractor el nivel de energía preciso para que gire a la velocidad adecuada al nivel de enfriamiento necesario. El objetivo de esta investigación fue diseñar y construir un sistema capaz de mantener la temperatura de un horno industrial en un valor seleccionado por el usuario. El sistema debe ser sencillo, económico, eficiente, de fácil operación y con pocos requerimientos de mantenimiento. Para ello se usó un Arduino Nano como dispositivo de control.

1. MATERIALES Y MÉTODOS

Estado del arte

Función de transferencia:

La función que relaciona salida con entrada se denomina función de transferencia g(s).

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Sistema de primer orden:

Se denominan sistemas del primer orden a aquellos en los que en la ecuación general aparece solamente la derivada primera del lado izquierdo (el de la variable de estado). O sea que se reducen al formato siguiente:

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Donde k se denomina ganancia del proceso y t es la constante de tiempo del sistema. En general encontraremos que la ecuación esta escrita en función de las variables “desviación” respecto al valor de estado estacionario. Por lo tanto, en general

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Tomando transformadas de Laplace

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Descripción de los componentes

• Sensor LM35

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1 ºC. Su rango de medición abarca desde -55 °C hasta 150 °C. La salida es lineal y cada grado Celsius equivale a 10 mV, por lo tanto:

150 ºC = 1500 mV

-55 ºC = -550 mV1

El LM35 no requiere de circuitos adicionales para calibrarlo externamente. La baja impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración hace posible que esté integrado sea instalado fácilmente en un circuito de control. Debido a su baja corriente de alimentación se produce un efecto de auto calentamiento muy reducido. Se encuentra en diferentes tipos de encapsulado, el más común es el TO-92, utilizada por transistores de baja potencia.

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