EXPERIMENTO CON UN SENSOR DE EFECTO HALL Haro V. Jonathan Morales Guillermo Sanaguano J. Edison Chitalogro O. Wilson Departamento de Eléctrica y Electrónica, Ing. Electromecánica Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Latacunga, Quijano y Ordoñez. E-mail:
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RESUMEN Presentamos un anemómetro experimental que genera pulsos mediante un sensor de efecto Hall. Por medio de un bucle de programa, se cuentan los impulsos (giros) por segundo y se calcula la velocidad del viento en función de la longitud de las varillas (radio) y se muestran los datos obtenidos en un LCD. Describimos los detalles constructivos del dispositivo experimental, su prueba y calibración. Con el sensor analizamos la dependencia espacial del campo magnético de espiras. Este estudio puede hacerse tanto para campos producidos por corrientes de conducción (caso de bobinas) como de corrientes de magnetización (caso de un imán permanente). Los experimentos con un imán permanente, requieren del modelado del imán y ayudan a comprender el concepto de corriente de magnetización. Este experimento puede ser realizado con elementos disponibles en una tienda electrónica y a un costo mínimo. ABSTRACT We present an anemometer experimental that generated pulses by a Hall Effect sensor. By a program loop, a pulses (turns) per second are counted and the wind speed depending on the length of the rods (radius) is calculated and the data are displayed on an LCD. We describe the construction details of the experimental device, its testing and calibration. With the sensor analyze the spatial dependence of the magnetic field coil. This study can be done both for fields generated by current conduction (coil case) and magnetizing current (case of a permanent magnet). Experiments with a permanent magnet, magnet require modeling and help to understand the concept of magnetizing current. This experiment can be performed with items available in an electronic store and at minimal cost.
I.
INTRODUCCION
El efecto Hall fue descubierto por Edwin H. Hall en 1879 mientras cursaba el último año en la universidad. [1] Este efecto consiste en la aparición de un campo eléctrico transversal al sentido de la corriente que circula por una muestra conductora cuando ésta se encuentra en un campo magnético. Los experimentos de Hall mostraron que los portadores de cargas eran partículas cargadas negativamente, hecho de gran relevancia en su época ya que los electrones no serían descubiertos hasta más de diez años después. Un experimento Hall sirve hoy en día para determinar el signo de los portadores de cargas de los distintos materiales. Un sensor de efecto Hall se vale del efecto Hall para la medición de campos magnéticos o corrientes. Si por un sensor Hall circula corriente y se lo coloca en un campo magnético, aparece un voltaje proporcional al producto entre la corriente y la intensidad de la componente normal del campo magnético respecto del sensor. Si se conoce el valor de la corriente, se puede calcular la intensidad del campo magnético. A la vez, si se crea un campo magnético por medio de una corriente que circula por una bobina o un conductor, se puede practicar el experimento inverso de la determinación de la corriente mediante la medición del campo magnético con el sensor; así como un anemómetro. Los anemómetros de calidad son una necesidad para las mediciones mediciones de energía eólica. eólica.
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Casi siempre el anemómetro está provisto de una veleta para detectar la dirección del viento. El anemómetro de cazoletas consiste en tres o cuatro cazoletas montadas simétricamente alrededor de un eje vertical. Debido a que la fuerza que ejerza el aire en el lado cóncavo es mayor que en el lado convexo, la rueda de cazoletas gira. La velocidad de rotación es proporcional a la velocidad del viento. Dicha rotación puede medirse de varios modos: contando mecánicamente el número de revoluciones, conectando el eje de la rueda de cazoletas a un pequeño generador eléctrico y midiendo el voltaje instantáneo, o a un interruptor opto eléctrico y midiendo su salida. Los anemómetros de tres cazoletas semicónicas y semiesféricas son preferentemente los más usados. La principal ventaja de los anemómetros de cazoletas es que miden las dos componentes horizontales del viento. El anemómetro de hélice se utiliza cuando se quiere conocer la velocidad del viento en una dirección particular. Normalmente se coloca un conjunto de dos o tres anemómetros de hélice en planos perpendiculares para obtener las componentes de velocidad sobre los ejes principales (horizontales y verticales). A veces se utiliza un anemómetro de hélice asociado a un sistema de orientación tipo veleta, para medir la componente horizontal de la velocidad de viento.
II.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ANEMÓMETRO
La selección de materiales es importante para anticipar la vida útil del equipo. Es por esto que, según el entorno físico en el que se usará, el precio que alguien podría estar dispuesto a pagar y la duración que se podría proyectar para que el equipo funcione con confiabilidad, los materiales seleccionados para el diseño del anemómetro pueden variar, nosotros implementamos materiales de origen reciclados.
F igura 1 M aterial es Reciclados.
La construcción del modelo mecánico que consta en una base fija en la superficie (caja de plástico) donde en su interior se encuentra inmersos los distintos componentes electrónicos que dará funcionamiento al indicador (LCD) el mismo con una fuente de energía de 9V CC.
F igura 2 Construcción A nemómetro
Por encima de la caja se colocó un cilindro de acero revestido de estaño, también llamado hojalata. En la parte superior se implementó un mecanismo que al ejercer la fuerza del viento este no produzca fricción, el movimiento es producido por medio de pelotas de ping-pong las cuales fueron divididas a semiesferas y colocadas en un disco compacto dividido en tres partes como se lo muestra en la figura 3 este equipo es el que recibe el viento, o la fuerza del viento y así se obtenga un movimiento angular relativo de las hélices sin perdidas en el rozamiento.
F ig ur a 3 H é li ces
F ig ur a 4 Rotaci ón hé lices
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III.
DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL SOFTWARE
El sensor consta de tres terminales como podemos observar en la figura 5. La alimentación, masa y la señal.
En la misma forma el diseño, construcción e integración del software obedece al movimiento requerido: “rotación” por impulso del viento. En general para la integración se utilizó [2], un sistema embebido reconfigurable robusto ISIS 7 Professional. Un driver para para realizar la programación del PIC. En la programación del Pic se utilizaron principios básicos así como las formulas descritas para el cálculo de la velocidad del viento en función del radio que existe entre el centro del eje y la semi esfera.
Creación de la placa en Proteus [3] Para la creación de la placa se utilizó el software ISIS 7 Professional con el procedimiento descrito en el link de la referencia. Una vez realizado todo el proceso de simulación se obtiene la placa con las siguientes características.
F igur a6: Sensor de efecto hall
El funcionamiento para obtener la señal consiste en recolectar los voltajes, sin y con campo magnético. Para esto se explicará en 2 puntos:
Una pastilla de semiconductor es sometida a un campo magnético externo. La pastilla genera una señal que polariza la base de un transistor, en esta situación el transistor se hace conductor por lo que circula corriente y pone el colector a masa. La señal recogida en este momento por el voltímetro es mínima como muestra la figura 6.
F igur a5: Placa r ealizada para la i nterfaz anemómetro_ lcd.
IV.
FUNCIONAMIENTO
Se realizó un anemómetro utilizando un sensor de efecto hall; el cual consiste en la aparición de un campo eléctrico en un conductor cuando es atravesado por un campo magnético.
F igura7: Sensor hall sin i nterrupción.
Cuando se interpone una placa entre el campo magnético y el semiconductor, este interrumpe su señal y no polariza más a la base del transistor, en esta situación el transistor deja de ser conductor por lo que ya no circula corriente. La señal recogida por el voltímetro
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es de máxima en este caso como muestra la figura7.
Nota: El diámetro que se tomará es entre imanes. Perímetro = (π)(D)
Distancia entre imanes en base al perímetro D/4 Mejoramos la señal utilizando 4 imanes F igura8: Sensor hall con interrupción.
Obteniendo una señal cuadrada la cual nos sirve para poder programar en el microprocesador ya que necesitaremos el tiempo de los pulsos como muestra la figura4.
Dividimos el círculo en 4.
Ahora tenemos 4 pulsos en una revolución. Para determinar la velocidad del viento basta con determinar . Es decir, si con un contador de impulsos se cuenta el número N de ciclos de la señal del anemómetro durante un tiempo de puerta t, la frecuencia de la señal se expresa como:
F igu ra9 : Señ al de un sensor h all .
Ahora para la mejora de la señal que nos envía el sensor se utilizó un acondicionador el cual nos ayuda a procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de operación. La señal puede ser, por ejemplo, demasiado pequeña, y sería necesario amplificarla; ya que podría contener interferencias que eliminar. Con esto también estamos adaptando una señal en perfectas condiciones ideales para que no tenga problemas nuestro microprocesador cundo ingrese la señal.
() Los datos para la programación necesaria son:
V.
Calcul o de la velocidad del vi ento:
Unidad a realizar m/s, utilizamos lo siguiente: Que una revolución es perímetro/s
Perímetro Numero de pulsos Y la distancia entre imanes.
CONCLUCIONES Se diseñó y construyó un anemómetro de tipo hélices con materiales reciclados para su estructura, se hizo el cálculo necesario para determinar la velocidad del viento en metros sobre segundo (m/s). La utilidad que tiene el anemómetro al hacer las mediciones del viento, el número de aplicaciones y la exactitud que se obtiene son muy importantes. Las normas de un anemómetro es que debe girar libremente, sin ningún tipo de rozamiento, con una resistencia mínima al aire.
Ecuaciones:
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VI.
Tener en cuenta los datos reales del anemómetro para obtener datos casi precisos después de realizar la programación del pic.
REFERENCIAS
[1] Hall, E. H., On a new action of the magnet on electric currents, American Journal of Mathematics 2, 287 (1879). El trabajo puede leerse en el sitio de Internet http://www.stenomuseet.dk/skoletj/elmag/kilde9.h tml. Consultado el 01 de mayo del 2014.
Estudios
Secundarios:
Unidad Educativa Municipal “Eugenio Espejo” en donde obtuvo el título de bachiller, especialización Físico Matemático. Actualmente cursa el séptimo nivel para obtener el título en Ingeniería en Electromecánica en la Universidad de las Fuerzas Armadas “ESPE -L”
Guillermo Armando Morales Caicedo Nació en Ambato. Estudios Secundarios: Colegio Diocesano SAN PIO X en donde obtuvo el título de bachiller, especialización Físico
[2] ISIS Users´ Manual, Texas (2012), pág. 16, 17 [3] Creación de una placa utilizando Proteus. El trabajo puede leerse en el sitio de Internet: http://www.taringa.net/comunidades/librostutorial es/5215061/Tutorial-Como-hacer-placasimpresas-usando-Proteus.html
VII.
BIBLIOGRAFIA
Catálogos de fabricantes de sensores: http://www.ammonit.de/ http://www.thiesclima.com/ http://www.campbellsci.com/ http://kermit.traverse.com/commerce/rmy oung/rmyprod1.htm
Matemático. Actualmente cursa el séptimo nivel para obtener el título en Ingeniería en Electromecánica en la Universidad de las Fuerzas Armadas “ESPE -L”
Wilson Geovanny Chitalogro Otacoma Nació en LatacungaCotopaxi. Estudios Academia
Secundarios: Militar Grad.
“Miguel Iturralde” en donde obtuvo el título de
PALLAS ARENY, R.: Transductores y acondicionadores de señal. Marcombo,
bachiller, especialización Físico Matemático.
„89.
Actualmente cursa el séptimo nivel para obtener el título en Ingeniería en Electromecánica en la Universidad de las Fuerzas Armadas “ESPE-L”
(2012, 04). Sensor hall. internet. 11, 2014, de: http://www.forosdeelectronica.com/f12/f uncionamiento-anemometro-medicionviento-62924/ (2010, 10). acondicionador. internet. 11, 2014, de http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/12345 6789/1130/4/Capitulo%203.pdf Miguel Ángel Pérez et all. Instrumentación Electrónica, Thomson, 2004.
BIOGRAFIA Jonathan Alexis Haro Valladares nació en QuitoPichincha.
Edison Fabricio Sanaguano Jiménez nació en ZumbaZamora Chinchipe. Estudios Secundarios: Colegio Nacional “Benito Juárez” en donde obtuvo el título de bachiller, especialización Físico Matemático. Actualmente cursa el séptimo nivel para obtener el título en Ingeniería en Electromecánica en la Universidad de las Fuerzas Armadas “ESPE -L”.
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