CARACTERISTICAS DINAMICAS, ESTATICAS Y PATRONAJE DE SENSORES
LABORATORIO No 1
nombres
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA INGENIERIA ELECTRÓNICA INSTRUMENTACION INDUSTRIAL ING. OSCAR MAURICIO HERNÁNDEZ GÓMEZ 49-049657,
[email protected] 49-049561,
[email protected] [email protected]
Resumen: En esta práctica se ilustran las características dinámicas del sensor de temperatura LM35 a partir de la hoja h oja de especificaciones y mediante mediciones se obtienen el rango del sensor, su precisión y factor de escala. Posteriormente se toma como elemento patrón el sensor y se varia la temperatura para determinar si se presenta histéresis. Estas medidas se registran en una tabla para un posterior análisis. Después se toma una fotorresistencia para medir su resistencia, se desplaza un bombillo hacia la fotorresistencia se tabula la resistencia en función de la distancia y se determine la característica dinámica del transductor. Palabras claves: Sensor, Termistor, Patronaje, Histéresis, Rango, Precisión. Precisión.
1. INTRODUCCIÓN .
Algunas veces a los transductores se les denominaba "sensores". Una primera definición decía que un sensor es un tipo de transductor que incorporaba "in situ" algún tipo de acondicionamiento inicial de la señal que se presentaba como un bloque indistinguible. Actualmente, la mayoría de transductores son eléctricos y por normal general se aplica la palabra "sensores" a todo tipo de transductor eléctrico. Hoy nos referiremos principalmente a esta acepción de "sensor" pero podría perfectamente aplicarse por regla general a todo sensor. Los transductores eléctricos (sensores) pueden ser: Analógicos y Digitales, Pasivos y Activos. Y dentro de los pasivos pueden ser, resistivos, capacitivos, inductivos y especiales. El sensor de temperatura puede usarse para compensar un dispositivo de medida sensible a la temperatura ambiente, refrigerar partes delicadas de un robot o bien para loggear temperaturas en el transcurso de un trayecto de exploración. 2. OBJETIVOS
-
Determinar las características estáticas de un transductor de temperatura de tipo termistor tomando como referencia un sensor de temperatura LM35.
-
Determinar las características estáticas y dinámicas de un transductor luminoso de tipo fotorresistencia. fotorresistencia.
-
dentificar la característica dinámica de un sensor LM35. I
3. y y y y
y y y y
EQUIPOS Y MATERIALES
Multímetros. 1 Sensor de Temperatura LM35. 1 Termistor. 1 Termómetro de Vidrio con rango mínimo entre 0 y 100 ºC. 1 Cautín o elemento calefactor. 1 Fuente de voltaje D.C. 1 Generador de señal. 1 Amplificador Operacional. 2
y y y
Osciloscopio. 1 Bombillo o fuente luminosa. 1 Protoboard. 1
4.
MARCO TEÓRICO
Un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo temperatura, intensidad luminosa, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etc. Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable a medir o a controlar. Recordando que la señal que nos entrega el sensor no solo sirve para medir la variable, si no también para convertirla mediante circuitos electrónicos en una señal estándar (4 a 20 mA, o 1 a 5VDC) para tener una relación lineal con los cambios de la variable sensada dentro de un rango (span), para fines de control de dicha variable en un proceso. Puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: automotriz, Industria Industria aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica, etc. Características de un sensor
Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes: Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado.
Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano. Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería. 5.
DESCRIPCION DE LA PRÁCTICA.
5.1 Transductores de Temperatura. Las características dinámicas del sensor de temperatura LM35 a partir de la hoja de especificaciones son las siguientes: opera de 4 a 30v.
Rango: 205°C de -55°C a 150°C, comercialmente de 2°C a 150°dC. Si es lineal, su precisión es de 0.5°C, el factor de escala es 10mv/°C significa que cada grado Celsius equivale a 10mv por ejemplo 20°C = 200mv.
29
301.4 307.5
30
30 29 28 27 26 25
De la Grafica 1. Se concluye que el mínimo voltaje de polarización es proporcional a la temperatura media.
27
Tabla 1. Temperaturas Real, Termómetro y volteje equivalente (Temperatura Creciente). Temperatura Real (°C)
Grafica 1. Mínimo Voltaje de Polarización vs Temperatura media.
26
24 23 22 21 20 19 18 17 16
Voltaje de Salida LM35(mV) 313.5 311.2 309.4 306.9 296.4 293.1 292.1 281.3 276.1 264.9 230.8 220.9 218.3 203.5 202.1
Temperatura Termómetro (°C) 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13
Tabla 2. Temperaturas Real, Termómetro y volteje equivalente (Temperatura Decreciente). La Tabla. 1 y 2. Son los datos para determinar las características estáticas del termistor. Grafica 2. Precisión vs Temperatura media. De la Grafica 2. Se concluye que a medida que aumenta la temperatura media, la precisión es mayor, y a medida que aumenta la temperatura bajo cero también es mayor su precisión. Temperatura Real (°C) 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Voltaje de Salida LM35(mV) 164.3 176.8 186.9 190.0 199.3 210.2 229.2 236.1 240.3 243.6 245.7 266.3 288.3
Temperatura Termómetro (°C) 13 14 15
Grafica. 3. temperatura del termómetro vs temperatura medida por el LM35.
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
La grafica. 3. Es muestra de la linealidad del sensor, aquí se evidencia que aun cuando el sensor sea lineal está midiendo 2°C por encima de la temperatura registrada por el termómetro. erelativo: ((Tmedido ± Tideal) / Tmedido)*100% Temperatura Real (°C) 16
Error Absoluto de la Medición % 18.75
17
17.65
18
16.67
19
15.79
20
15.00
21
14.29
22
13.64
23
13.04
24
12.50
25
12.00
26
11.54
27
11.11
28
10.71
29
10.34
30
10.00
30
12.9
Tabla 4. Temperaturas Real, Resistencia del Termistor. La tabla 4. Muestra que la resistencia del termistor es proporcional a la temperatura real.
Tabla 3. Temperaturas Real, Error Absoluto de la Medición %
oto. 1. Reacción del voltaje de salida del sensor ante una variación de temperatura.
F
La Foto. 1. Muestra como el voltaje de salida del sensor reacciona ante un cambio de temperatura brusco al sensor, con base en esta señal la característica dinámica del sensor es de primer orden. 5.1 Transductor Luminoso. Grafica. 4. Error Absoluto de la Medición %. Vs Temperaturas Real. La grafica 4. Muestra que cuando el sensor mide temperaturas más altas su precisión es mayor. Temperatura (°C) 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Real
Resistencia del Termistor 10.5 10.6 10.9 11.3 11.5 11.7 11.8 11.9 12.1 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7
Se tome una fotoresistencia y se ubica dentro de un cilindro oscuro, en sus terminales se coloca un multímetro para medir su resistencia. Después se ubica una fuente luminosa tal como un bombillo, a 52cm de la fotorresistencia. Se desplaza el bombillo hacia la fotorresistencia cada 2 cm. Resistencia 218.2 207.8 190.1 175.8 169.2 158.0 151.6 146.7 137.5 130.3 124.1 116.0 112.3 107.7
Distancia 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26
101.9
24
96.8 92.2 88.2 83.5 81.3 77.7 73.6 70.9 66.4
22 20 18 16 14 12 10
8
De la Foto. 2. Se obtiene que la característica dinámica del transductor es de segundo orden. Se tiene un instrumento con la característica dinámica modelada y sintetizada por medio del circuito de la Figura 1. Se alimenta el circuito con una señal cuadrada de amplitud 1Vp y frecuencia 1Hz.
6
C1
0.1u
VCC
Tabla. 5. Resistencia en función de la distancia.
R1
R2
V2
3
12
100k
VCC U1A 4 V+ +
10k
V
La tabla 5. Muestra que la resistencia de la fotoresistencia es proporcional a la distancia del bombillo.
V3 12
0
V
11
C2
TL084/301/TI VR4 VEE
0.1u
TF = 1n PW = 0.5 PER = 1
VEE
-
V1
V1 = 1 V2 = 0 TD = 0 TR = 1n
1
OUT 2
R3
100k
100k
0
igura 1. Circuito que sintetiza la dinámica de un instrumento X..
F
El circuito de la Fig. 1. es un circuito que consta de fuentes de voltaje de 12v Vcc y -12v Vee, un amplificador LF353, tres resistencias de 100kohm, una de 10kohm y dos capacitores de 10f. Se observa la salida del instrumento ante la entrada y se determina que su característica dinámica es de segundo orden. Grafica. 5. Resistencia vs Distancia. La grafica 5. Muestra que cuan mayor sea la distancia a la que se encuentra el bombillo de la fotoresistencia mayor es la resistencia.
2. 0V
1. 0V
0V
- 1. 0V
- 2. 0V 0s V( R4: 1)
2 0 ms V( V1: +)
4 0 ms
6 0 ms
8 0 ms
1 0 0 ms
1 2 0 ms
Ti me
Grafica. 6. Señal de Salida del amplificador. . En la Grafica. 6. Se observa la señal de salida del amplificador esta señal muestra que este instrumento tiene una característica dinámica de segundo orden. 6.
oto. 2. Respuesta del transductor cuando de manera brusca se acerca la fuente luminosa a 40cm de la fotorresistencia. F
ANALISIS DE RESULTADOS
Se obtiene que al implementar un sensor de temperatura LM35 opera de 4 a 30v de la grafica 1 se obtiene que el mínimo voltaje de polarización es proporcional a la temperatura media. Su rango es de 205°C de -55°C a 150°C. Dentro de las características
dinámicas se encuentra que si es lineal, la grafica 3 es muestra de la linealidad del sensor, su precisión es de 0.5°C, de la grafica 2 se sabe que a medida que aumenta la temperatura media, la precisión es mayor, y a medida que aumenta la temperatura bajo cero también es mayor su precisión y la grafica 4 muestra que cuando el sensor mide temperaturas más altas su precisión es mayor. El factor de escala es 10mv/°C significa que cada grado Celsius equivale a 10mv para la temperatura ambiente de 22°C = 220mv, pero en realidad el voltaje obtenido a 22°C fue de 243mv, en la grafica 3 aun cuando el sensor sea lineal está midiendo 2°C por encima de la temperatura registrada por el termómetro esto quiere decir que si solo se tiene la medida del sensor entonces se le restaran 2°C y esta será la medida real de la temperatura actual. Con la tabla 4 se muestra que la resistencia del termistor es proporcional a la temperatura real esta medida por lo general no es muy exacta y además se debe tener en cuenta que el termistor sea lineal. Analizando los resultados se tiene de la foto 1 como el voltaje de salida del sensor reacciona ante un cambio de temperatura brusco al sensor, con base en esta señal la característica dinámica del sensor es de primer orden. De la segundad parte de la practica se observa que la tabla 5 muestra que la resistencia de la fotoresistencia es proporcional a la distancia del bombillo. De la foto 2 se obtiene que la característica dinámica del transductor sea de segundo orden. El circuito de la figura 1 es la representación de la dinámica de la fotoresistencia; de la grafica 6 se observa la señal de salida del amplificador esta señal muestra que este instrumento tiene una característica dinámica de segundo orden al igual que la señal obtenida de la reacción ante un cambio de temperatura brusco en el sensor. 7. CONCLUSIONES y
y
y
Se obtuvo que a medida que aumenta la temperatura media, la precisión es mayor, y a medida que aumenta la temperatura bajo cero también es mayor su precisión. Se obtiene que el mínimo voltaje de polarización y la resistencia del termistor son proporcionales a la temperatura media. El factor de escala es muy importante ya que de este depende el nivel con el cual se establece una representación en mv de la temperatura.
y
y
La resistencia de la fotoresistencia es proporcional a la distancia del bombillo a la fotoresistencia. Para la obtención de la característica dinámica de los sensores se ve la reacción del voltaje de salida del sensor ante un cambio brusco de temperatura. 8. BIBLIOGRAFÍA
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Alan S. Morris Principios de mediciones e instrumentación. Prentice Hall Antonio Creus Sole, Instrumentación Industrial , Marcombo. ,
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