Acondicionamiento de Señal

Fundación Universidad San Martín. Facultad a distancia Programa de ingeniería de sistemas. Microprocesadores Materiales para el día sábado. 

1 Protoboard.



1 PIC 16F877A.



1 cristal de 4 MHz.



2 capacitores de 22pF.



20 resistores de 10k

Ω.



20 resistores de 220

Ω.



10 resistores de 1 k

Ω.



5 resistores de 470

Ω,



2 ventiladores pequeños a 12 v.



3 LF353P.



IC 7805.



Cable UTP para cablear en protoboard.



Pulsadores para protoboard.



2 TIP 31C.



2 2N2222.

330 Ω 120 Ω, 4,7k Ω y 1M Ω.

ACONDICIONADOR DE SEÑAL Descripción: La siguiente información, contiene el desarrollo de la práctica para el acondicionamiento de la señal generada por el sensor de temperatura LM35, además de los saberes que están asociados para el desarrollo de dicha práctica. También se presentará el análisis de los resultados en forma teórica, práctica y simulada, conclusiones y referente bibliográficos.

Objetivos: Comprender la importancia del manejo de estándares eléctricos y electrónicos industriales para señales obtenidas de transductores, con el objeto de tratarlas y cuantificarlas para hacerlas medibles y verificables dentro de los estándares industriales. Se realizó mediante el diseño de etapas de acople de impedancias, amplificadoras y sumadores de tensiones. Se obtuvieron las mediciones necesarias para implementar el estándar industrial de 1v – 5v con una corriente de 4 mA – 20 mA y se utilizaron instrumentos de medida como lo son el multímetro y el osciloscopio.

Introducción Amplificadores operacionales: Su nombre se fundamenta en su utilidad básica como lo es realizar operaciones matemáticas, sin embrago no son las únicas aplicaciones que se le pueden dar. Este es un dispositivo lineal de propósito general cuyas frecuencias de trabajo varían de acuerdo al diseño del fabricante, pueden ir desde los 0Hz hasta las limitaciones impuestas por su diseño. Adicionalmente las tensiones que manejan pueden ir desde los nano-volts (nV) hasta las

Oscar Andrés Pulido Ingeniero Electrónico

Fundación Universidad San Martín. Facultad a distancia Programa de ingeniería de sistemas. Microprocesadores decenas de voltios, su característica principal es su alta impedancia de entrada ya que su configuración inicial está dada por un amplificador de tipo diferencial, además de su alta ganancia en amplificación que se encuentra en el orden de las 100.000 veces (en lazo abierto). Su alimentación está definida por el fabricante (dual o sencilla), además del uso que se le quiera dar. Su símbolo electrónico es el que se observa en la figura 1.

Figura 1. Donde Vin1 es el pin no inversor, Vin2 el pin inversor, Vcc y Vss los pines de alimentación y Vout la salida del amplificador. Como su ganancia es muy alta (infinita en teoría), y su tensión de alimentación es relativamente bajo en proporción a la ganancia, es inevitable la saturación del amplificador lo que lo hace de su uso en lazo abierto un poco limitado (como comparador). Para poder hacer un control de la ganancia de este dispositivo y que esta sea de unas cuantas veces, se debe realizar la adición de dispositivos externos que permitan dicho objetivo (resistores, condensadores e inductores) y adicionalmente a esto, se debe realizar una realimentación o configuración en lazo cerrado lo que permitirá, tomar una pequeña muestra de la salida para así realizar el control de esta ganancia (en adición a su alta impedancia de entrada).

Amp lificador inversor y no in versor:

Figura 2. La configuración que se muestra en la figura 2, corresponde a un amplificador inversor cuya ganancia en tensión se encuentra dada por la relación existente entre las resistencias R1 y R2. El valor de la tensión que se obtendrá a la salida si es amplificador inversor se tienen:

 R f   R  i 

V o  Vi

Si la configuración es de un amplificador no inversor se obtiene:


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 R f  V o    1Vi R  i  : Amp lificador sum ador inversor y no inversor Estas configuraciones permiten como su nombre lo indican realizar una operación de adición en las señales de entrada, para realizar la configuración de sumador se debe realizar el montaje de la figura 3 en el OPAM.

Figura 3. La salida de tensión dependerá de la suma de los aportes de cada uno de las tensiones de entrada si y solo si se cumplen todas las condiciones:

  R f   R   R   V 1   f V 2   f V 3   R   R2   R3     1 

V 0   

Si consideramos que las tres resistencias de entrada son del mismo valor, es decir R1=R2=R3=Rf tenemos:

V 0  

R f R f

V 1  V 2  V 3 

Amp lificador com o seguid or de tensión: En esta configuración la resistencia de entrada depende de la alta impedancia de entrada del amplificador operacional en el orden de los 2M Ω, mientras que la resistencia de salida es por ejemplo 75Ω. Como la retroalimentación en esta configuración es un corto circuito, la ganancia del amplificador será de 1. De esta manera, si la impedancia del siguiente circuito es más o menos pequeña y como resultado será menos probable que se convierta en una carga para ese circuito. Su configuración se muestra en la figura 4.



Figura 4.

Sensores y transductores: En todo proceso de automatización es necesario captar las magnitudes de planta, para poder saber el estado del proceso que estamos controlando. Para ello empleamos los sensores y transductores.

Figura 5.

En general, la estructura de un transductor completo se compone de lo siguiente: 

Elemento sensor o captador elemental: Convierte las variaciones de una magnitud física en variaciones de una magnitud eléctrica (señal).



Ac on dic ion amien to de la señ al ; si existe, realiza la función de modificar la señal entregada por el sensor para obtener una señal adecuada (amplificación, linealización, etc.).

Al medir una fuerza, por ejemplo, se supone que el desplazamiento del transductor es despreciable, o sea, que no se "carga" al sistema, ya que de lo contrario podría suceder que este último, fuera incapaz de aportar la energía necesaria para el desplazamiento. En la transducción siempre se extrae una cierta energía del sistema donde se mide, por lo que es importante garantizar que esto no lo perturba. Dado que hay seis tipos de señales: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares (químicas), cualquier dispositivo que convierta una señal de un tipo en una señal de otro tipo debería considerarse un transductor, y la señal de salida podría ser de cualquier forma física "útil". En la práctica, generalmente los transductores ofrecen una señal de salida eléctrica, debido al interés de este tipo de señales en la mayoría de procesos de medida. Los sistemas de medida electrónicos ofrecen, entre otras, las siguientes ventajas:


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







Debido a la estructura electrónica de la materia, cualquier variación de un parámetro no eléctrico de un material viene acompañada por la variación de un parámetro eléctrico. Eligiendo el material adecuado, esto permite realizar transductores con salida eléctrica para cualquier magnitud física no eléctrica. Dado que en el proceso de medida no conviene extraer energía del sistema donde se mide, lo mejor es amplificar la señal de salida del transductor. Con amplificadores 10 electrónicos se pueden obtener fácilmente ganancias de potencia de 10 en una sola etapa, a baja frecuencia. Además de la amplificación, hay una gran variedad de recursos, en forma de circuitos integrados, para acondicionar o modificar las señales eléctricas. Incluso hay transductores que incorporan físicamente en un mismo encapsulado parte de estos recursos. Existen también numerosos recursos para presentar o registrar información si se hace electrónicamente, pudiéndose manejar no sólo datos numéricos, sino también textos, gráficos y diagramas. La transmisión de señales eléctricas es más versátil que la de señales mecánicas, hidráulicas o neumáticas, y si bien no hay que olvidar que éstas pueden ser más convenientes en determinadas circunstancias.

La distinción entre transductor de entrada (señal física/señal eléctrica) y transductor de salida (señal eléctrica/presentación) está prácticamente en desuso. La tendencia actual, particularmente en robótica, es emplear el término sensor (o captador en bibliografía francesa) para designar el transductor de entrada, y el término actuador o accionamiento para designar el transductor de salida. Los primeros pretenden la obtención de información, mientras que los segundos buscan la conversión de energía. Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son los elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal de salida de un sensor electrónico, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento estándar. Normalmente, son circuitos electrónicos que ofrecen, entre otras funciones, las siguientes: 

Amplificación.



Filtrado.



Adaptación de impedancias.

Tipos de sensores. El número de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que no se puede proceder racionalmente a su estudio sin clasificarlos previamente de acuerdo con algún criterio. Existen diversos criterios adicionales a los que se expondrán aquí.



Clasi fic ación seg ún l a señal de sali da. 

Analógicos.



Digitales.



Todo o nada.

Según la señal de salida, los sensores se clasifican en analógicos, digitales y todo-nada. En los analógicos la salida varía, a nivel macroscópico, de forma continua. La información está en la amplitud, si bien se suelen incluir en este grupo los sensores con salida en el dominio temporal. Si es en forma de frecuencia, se denominan, a veces, "casi digitales", por la facilidad con que se puede convertir en una salida digital. En los sensores digitales, la salida varía en forma de saltos o pasos discretos. No requieren conversión A/D y la transmisión de su salida es más fácil. Tienen también mayor fidelidad y mayor fiabilidad, y muchas veces mayor exactitud, pero lamentablemente no hay modelos digitales para muchas de las magnitudes físicas de mayor interés. Los sensores todos-nada son aquellos que únicamente poseen dos estados, los cuales están separados por un valor umbral de la variable detectada. Desde el punto de vista de la ingeniería electrónica, es más atractiva la clasificación de los sensores de acuerdo con el parámetro variable: resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente, y otros tipos no incluidos en los anteriores grupos. Si bien este tipo de clasificación es poco frecuente, permite reducir el número de grupos a unos pocos y se presta bien al estudio de los acondicionadores de señal asociados.

Sen so res t é rm ic os .


Fundación Universidad San Martín. Facultad a distancia Programa de ingeniería de sistemas. Microprocesadores Hay un gran número de diferentes tipos de sensores térmicos. Dos de los más comunes son el termo acoplador y el termo resistor.

Termo acoplador. Cuando dos metales distintos (como el cobre y el hierro) son puestos en contacto en un circuito y las uniones son calentadas a diferentes temperaturas, una pequeña tensión es generada y una corriente eléctrica fluye entre ellos. Un termo acoplador se muestra en la figura; Consiste de una unión sensora a una temperatura Ta, y una unión de referencia a una temperatura T b. La tensión generada por el dispositivo es medido con un voltímetro de alta resistencia.

Fig. 6 Termoacoplador.

La tensión de circuito abierto (medido con un voltímetro ideal de resistencia de entrada infinita) está relacionado con la diferencia de temperatura (T a -T b ), y con la diferencia en los coeficientes Seebeck de los dos materiales (P a-P b ): V = ( P a - P b )( T a - T b )

V será típicamente del orden de mV, o decenas de mV para termoacopladores de metal con diferencias de temperatura del orden de 200 C. Los materiales semiconductores a menudo presentan un mejor efecto termoeléctrico que los metales. Esto permite integrar muchos termoacopladores semiconductores en serie para construir una termopila, la cual presenta una tensión de salida mayor que este debido a un sólo termoacoplador. Sin embargo, la alta conductividad térmica del silicio dificulta el mantener un gradiente de temperatura grande (T a-T b ). Por consiguiente, una aplicación del micro maquinado de silicio es el aislar térmicamente el elemento sensor del substrato de silicio. Esto es posible si el dispositivo se construye sobre micropuentes o trampolines maquinados en silicio.

Termoresistor. La resistividad térmica de los metales varía con la temperatura. Arriba de -200 C la resistividad varía casi linealmente con la temperatura. En la región lineal, la variación de la


Fundación Universidad San Martín. Facultad a distancia Programa de ingeniería de sistemas. Microprocesadores resistividad r con la temperatura T puede ser descrita adecuadamente por una función cuadrática: 2

R = R(1+aT+bT )

Donde R es la resistividad del material a una temperatura de referencia (0 C), con a y b constantes del material usado. El platino es un material que presenta una variación lineal con la temperatura ( b es muy pequeño). Usado como termoresistor, presenta pequeña resistencia y su variación con la temperatura (coeficiente de temperatura) no es particularmente importante, por eso requiere de un puente resistivo para detectar la señal. Los termoresistores semiconductores (o termistores ) pueden ser formados de óxidos metálicos o de silicio. Estos, generalmente, no son tan exactos o estables como los termistores de platino. Sin embargo, su costo de fabricación es bajo y son más fáciles de integrar con circuitos micro electrónico sobre el mismo substrato. El coeficiente de temperatura resistivo para un termistor es altamente no lineal y negativo, así como dependiente de la potencia que disipa el dispositivo. Esta resistividad se expresa como una cantidad relativa a la resistividad a 25 C sin potencia disipada, y puede ser de 500  a 10 M.

Debido a que el coeficiente de temperatura es negativo, es posible para el termistor estar dentro de un lazo de autocalentamiento: una corriente que fluye por el termistor genera su calentamiento y la resistividad se reduce, más corriente fluye, se calienta más el termistor, etc. El alto valor del coeficiente de temperatura hace posible que el termistor se acople directamente a un circuito amplificador sin requerir un puente resistivo. La no linealidad se trata con la calibración del dispositivo. Las técnicas de microingeniería pueden ser usadas en una variedad de opciones para mejorar los sensores térmicos. Como se mencionó, pueden ser usadas para aislar térmicamente el elemento sensor del resto del dispositivo. También se pueden producir arreglos de sensores para dar una señal más grande que la que proporciona un sólo sensor. Si el dispositivo es pequeño y es aislado térmicamente, entonces su respuesta en el tiempo (el tiempo que al sensor le toma calentarse o enfriarse en respuesta a un cambio en la temperatura del medio) puede ser incrementada. Con los dispositivos basados en silicio se tiene, por supuesto, todos los beneficios potenciales de integrar circuitos (calibración, autoprueba, etc.) en el mismo chip.

Parte Experimental

Ac on dic ion amien to d e señ ales:


Fundación Universidad San Martín. Facultad a distancia Programa de ingeniería de sistemas. Microprocesadores Cuando se obtiene la señal proveniente del sensor de un sistema de medición, se debe adecuar de forma tal que pueda ser entregada a la siguiente etapa del sistema. La señal en muchas ocasiones ser muy pequeña, o en otras no ser lineal y requerir su linealización, ser análoga y convertirla a digital, etc. A todas estas modificaciones se les conoce como acondicionamiento de señales. Por ejemplo la salida de un sensor de temperatura es muy pequeña, en el orden de los mV, así que se requiere llevar esta señal a un valor adecuado para su medición, contar con un medio para rechazar el ruido y manejarla entre rangos dentro de los estándares definidos. El punto básico a tener en cuenta para el acondicionamiento de la señal, es tener un circuito normalizado de acuerdo a los estándares industriales en cuanto a tensión (1v - 5v) y corriente (4mA - 20mA). El circuito se modeló con el amplificador operacional LF353P que es un amplificador con tecnología BI-FET II, este puede ser usado en aplicaciones de alta conmutación como lo son conversión D/A, muestreo y retención de datos. La primera etapa es una configuración de seguidor de tensión para el acople de impedancias y así evitar la caída de tensión en la entrada, luego encontraremos una etapa de amplificación la cual elevara nuestro valor tensión para llevarlo a lo deseado, seguido de esto, un circuito en configuración de sumador con una tensión de referencia que al sumarlo con la señal proveniente de la etapa anterior y teniendo en cuenta que esta nos invierte la señal, tendremos en realidad una resta de tensión para así dejarlo en el valor de 1-5v y por último se acondicionará una resistencia que nos permite obtener el estándar de 4-20mA. La figura2 muestra el diseño que se implementó para el acondicionador de señal. La máxima tensión calculada en las condiciones de la medición es de 800mv lo que indicara una temperatura de 80°C según las especificaciones del sensor de temperatura y La tensión mínima que es de 250mv lo representa una temperatura de 25°C, esto de acuerdo a las características presentadas por el fabricante y comparado con otro sensor de temperatura (termocupla).



4000 mV

800mV  250mV   7,273veces

7,273 * 250mV  1.82V 7,273 * 800mV  5.82V De acuerdo a estos valores de ganancias para el amplificador inversor tendremos:

 Av  

Rf Ri

 7.273  

10 K 

Ri

Ri  1374.950


Fundación Universidad San Martín. Facultad a distancia Programa de ingeniería de sistemas. Microprocesadores Para la etapa del sumador tendremos: 5V * R 4

Vth 

R3  R 4

R 3  10 K  0.82 

5V * R 4 10 K   R 4

R 4  1961.55

Estos son los valores de las resistencias para obtener La tensión fija que restará La tensión de la etapa anterior, para normalizar La tensión de 1V a 5V. En total La tensión de salida en el sumador será:

R1  R2  Rf Rf   Rf Vi  Vi  R 2   R1

Vo  

De esta manera obtendremos a la salida La tensión normalizada, ahora se calculara el valor de la resistencia que permitirá obtener el valor de 4mA a 20mA. Clasificación de los bloques funcionales del circuito

Sensor

Acople de

Etapa de Am lificación

Sumador

Señal acondicionada

Figura 7.

Elemento que convierte una variable física en una variación electromagnética para ser Sensor: tratada y representada en un formato visual y universal.

Acople de im pedancia: En esta etapa se implementó una configuración de seguidor de tensión con el objeto de asegurar que no se perderá la señal al aplicarla a la carga. Etapa de amplificación: Un amplificador en modo inversor se configuró para darle la ganancia necesaria y así llevar el valor de los rangos de medida dentro del estándar buscado. Sumador: Como al realizar la amplificación simplemente se tiene en cuenta un factor multiplicativo, se requiere seguir adecuando la señal y esa se logra con esta etapa final de sumador. Como resultado se obtuvo a la salida de estas cuatro etapas la norma de estándar industrial que determina el rango de tensiones de operación para el sensor de 1v – 5v y de 4mA – 20mA. Este último se obtiene de calcular la resistencia mínima que se debe tener para obtener en el dicho valor de corriente con las tensiones normalizadas.


Fundación Universidad San Martín. Facultad a distancia Programa de ingeniería de sistemas. Microprocesadores U3 7805 1

VI

VO

3

RV3

D N G 2

POT

R3 8M2

RV2

U1(+VS)

POT

8

1

27.0

POT

8

5

3 7

6

2

R1

1 2

8M2 4

2

U4:A

8

RV1

3

VOUT

U2:B

U2:A

U1

1

LF353

4

R2

4

LF353 8M2 3

LF353 +88.8 Volts

LM35 U2:A(VCC-)

Figura 8.

Clasificación de los elementos :

Activos: OPAM, Regulador de tensión 7805 y LM35 (Transductor)

Pasivos: cable, resistores fijos y variables, visualizador (medidores) del circuito Dentro del desarrollo de la práctica se encontraron distintos factores que intervenían de una forma directa en la precisión requerida para este tipo de circuitos. En primer lugar la temperatura ambiente es el mayor factor de intervención ya que estos aportes de energía térmica (perdidas), se veían representados en la variación de tensión de referencia de la etapa restadora.


Fundación Universidad San Martín. Facultad a distancia Programa de ingeniería de sistemas. Microprocesadores Figura 9.

Mediciones con el multímetro:

Figura 10. En esta primera medición, figura 10 podemos ver el valor de la temperatura en grados Fahrenheit, esta corresponde a la temperatura inicial o ambiente medido con una termocupla tipo JK, de aquí 74°F equivalen a 23.3°C.

Figura 11.

En esta figura se observa el valor medido con el sensor LM35 donde se obtuvo con las mismas condiciones de medición de la termocupla 216 mV; de acuerdo con las especificaciones dadas por el fabricante, corresponde a 21.6°C de aquí podemos observar un error de medición de 1.7°C.



Figuras 12 y 13 En estas imagen (figura 12 y 13), se obtiene el valor del acondicionamiento de la señal, el valor que se observa corresponde a la mínima medición que es de aproximadamente 1 voltio y 4 miliamperio para el cumplimiento de la norma.


Acondicionamiento de Señal

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