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INSTRUMENTACION
C O MP MP O N E N T E P R A C T IC IC O
Presentado por:
Grupo
Tutor
Universidad nacional nacional abierta y a distancia (UNAD) Instrumentación 2017 1
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INSTRUMENTACION
Tabla de contenido
INTRODUCCIÓN ................................................ .......................................................................... .................................................... .......................... 3 OBJETIVOS ................................................ .......................................................................... .................................................... .................................. ........ 4 PRÁCTICA 1: SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN ............................................. ............................................. 5 PRÁCTICA 2: ADECUACIÓN DE SEÑALES ................................................. ........................................................ ....... 20 PRÁCTICA 3: APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN ....... 27
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Tabla de contenido
INTRODUCCIÓN ................................................ .......................................................................... .................................................... .......................... 3 OBJETIVOS ................................................ .......................................................................... .................................................... .................................. ........ 4 PRÁCTICA 1: SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN ............................................. ............................................. 5 PRÁCTICA 2: ADECUACIÓN DE SEÑALES ................................................. ........................................................ ....... 20 PRÁCTICA 3: APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN ....... 27
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INTRODUCCIÓN
El puente de Wheatstone es un circuito muy interesante y se utiliza para medir el valor de componentes pasivos como las resistencias, inicialmente descrito en 1833 por Samuel Hunter Christie, no obstante, fue Charles Wheatstone quien le dio muchos usos cuando lo descubrió en 1843. Como resultado este circuito lleva su nombre. Es el circuito más sensitivo que existe para medir una resistencia Para la elaboración de la práctica los instrumentos que utilizaremos en el Laboratorios serán: multímetro, osciloscopio, entre otras, los cuales nos ayudaran a medir las diferentes tensiones, resistencias, y otras variaciones de electricidad que tengan los circuitos que manipulemos en la misma. Dichos instrumentos nos ayudan a mantener a circuitos y equipos en un óptimo funcionamiento basándonos en ecuaciones y comparaciones en lo que respecta al flujo de electricidad. Las mediciones eléctricas se realizan con aparatos especialmente diseñados según la naturaleza de la corriente; es decir, si es alterna, continua o pulsante. Los instrumentos se clasifican por los parámetros de voltaje, tensión e intensidad. De esta forma, podemos enunciar los instrumentos de medición como el Amperímetro o unidad de intensidad de corriente. El Voltímetro como la unidad de tensión, el Ohmímetro como la unidad de resistencia y los Multímetros como unidades de medición múltiples.
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OBJETIVOS
I.
Conocer funcionamiento de diferentes puentes de medición y sus Aplicaciones
II.
Implementar unos diferentes puentes de medición, conocer sus características prácticas.
III.
Analizar las desviaciones de los resultados de las mediciones.
IV.
Determinar el error que se genera entre los cálculos teóricos y las mediciones de los circuitos a montar.
V.
Conocer el funcionamiento y la aplicación que se le puede dar a los puentes para medición
VI.
Establecer las principales características que debe tener un sistema de medición.
VII.
Experimentar como afectan pequeños cambios en los circuitos de medición la lectura final.
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PRÁCTICA 1: SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN Objetivo: Reconocer las generalidades de un sistema de instrumentación mediante el estudio de los diferentes equipos de medición y modelos de amplificador usados actualmente en los campos de la electrónica e instrumentación Insumos necesarios:
Protoboard Resistencias (según valores calculados en el diseño) Cables para conexión Foto resistencias Capacitores varios valores Medidor de Lumens Caimanes de conexión multímetro digital fuente de poder.
Espacio de apoyo: Foro en el entorno práctico. El tutor que orienta el componente práctico será el principal encargado de brindar apoyo en esta temática. Actividades a realizar: 1. Caracterice la respuesta de una foto resistencia a la intensidad de la luz, obteniendo la gráfica de luz vs resistencia, para ello se sugiere disponer de una fuente de luz led (linterna), si es posible un medidor de lumens; si no es posible contar con este último realizar mínimo 7 mediciones en las cuales se varié la intensidad de luz de menor a mayor. 2. Implemente un puente de Wheatstone, alimentado con 5VDC, para medir la variación de la foto resistencia, equilibre el puente con la foto resistencia a 0% de luz, varié la intensidad de luz hasta el máximo y obtenga una gráfica Intensidad de luz vs salida del puente (V).
3. Compruebe el funcionamiento del puente de maxwell para la medición de capacitancias, realice los cálculos y compruébelos en la práctica. 5
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Solucion
Punto 1 y 2
Puente de Wheatstone
Marco Teórico Las mediciones más precisas de la resistencia se obtienen con un circuito llamado puente de Wheatstone, este circuito consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas entre sí en forma de diamante. Se aplica una corriente continua a través de dos puntos opuestos del diamante y se conecta un galvanómetro a los otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que fluyen por los dos brazos del circuito se igualan, lo que elimina el flujo de corriente por el galvanómetro, el puente puede ajustarse a cualquier valor de la resistencia desconocida, que se calcula a partir los valores de las otras resistencias. Se utilizan puentes de este tipo para medir la inductancia y la capacitancia de los componentes de circuitos. Para ello se sustituyen las resistencias por inductancias y capacitancias conocidas. Los puentes de este tipo suelen denominarse puentes de corriente alterna, porque se utilizan fuentes de corriente alterna en lugar de corriente continua. A menudo los puentes se nivelan con un timbre en lugar de un galvanómetro, que cuando el puente no está nivelado, emite un sonido que corresponde a la frecuencia de la fuente de corriente alterna; cuando se ha nivelado no se escucha ningún tono.
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En la figura se muestra un puente de resistencias que puede utilizarse para determinar una resistencia desconocida. Para cualquier conjunto dado de resistencias R 1, R2, R3 y R4, el voltaje de compensación ∆v del puente viene dado por:
= ( + ) Para hallar la resistencia desconocida R x, en condición de equilibrio siempre se cumple que:
= ∗ Si los valores de R 1, R2, R3, se conocen con mucha precisión el valor de R x, puede ser determinado igualmente con mucha precisión, pequeños cambios en el valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la indicación del galvanómetro, de forma alternativa, si los valores de R 1, R2, R3, son conocidos y R 2 no es ajustable, la corriente que fluye a través del galvanómetro puede s er utilizada para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento más rápido que el de ajustar a cero la corriente a través del galvanómetro.
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Puente en equilibrio
Puente desequilibrado
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Las siguientes ecuaciones se realizaron para hacer los cálculos y hallar los valores de la Resistencia (potenciómetro) R1: 220 Ω R2: 331 Ω R3: 10000 Ω
R4: ¿?
= ∗ = 331Ω∗10000Ω 220Ω =15,045Ω = ∗ = 331∗10000 15,045 =220006,6Ω = ∗ = 220∗15045 10000 =0,33Ω = ∗ = 220∗15045 331 =9,99Ω r1 r2 r3 r4
220 331 10000 15045,4545
R1 y R3 Mismo voltaje ; R2 y R4 Mismo voltaje R1 y R2 Misma corriente; R3 y R4; Misma corriente
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Como la práctica pretendía verificar los cambios dentro del Puente wheatstone, de acuerdo al cambio de los lúmenes, debíamos utilizar una fotoresistencia, para equilibrar el puente usamos un potenciómetro de 10kohmios, quedando calibrado en 7,56 k ohmios -
Estos son los datos que tabulamos para el grafico. Al no contar con luxometro usamos una aplicación llamada Lux de Play Store. Incitamos la luz utilizando lámpara led y obtuvimos estos datos
m-1
m-2
m-3
luz
1746
406
116
voltaje
1.13
1.07
1.01
Puente en equilibrio.
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Primera medición.
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Segunda medición.
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Tercera medición
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Gráfica lúmenes vs voltaje. Lumens vs Voltaje 2000 1800 1600 1400 1200
1000 800 600 400 200 0 m-1
m-2 luz
m-3 volaje
Punto 3. Puente de Maxwell
Marco teórico
Es una red en puente de CA en la que una rama está compuesta de una inductancia y una resistencia en serie; la opuesta, de un condensador y una resistencia en paralelo; y las otras dos ramas, de resistencias. El puente se ilustra en la figura, y se usa para la medida de inductancias (en función de un condensador conocido) o capacidades (en función de una inductancia conocida), siendo la relación de equilibrio:
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L/C = R2R4 = R1R3
Se diseña el montaje del circuito.
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Datos de componentes en laboratorio
= =1 1=1,7Ω = =2,7Ω = =? , =? = = 462 Ω Montaje en protoboard.
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INSTRUMENTACION
Comprobación que el puente Maxwell esta en equilibrio.
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Rx utlizada.
Se halla la inductancia por medio de fórmulas utilizando los valores de los componentes usados.
= =1 1=1,7Ω = =2,7Ω = =? , =? = = 462 Ω Ecuación:
= ∗ = 462∗2,7 = 733,8 Ω 1,7 Calculamos Lx
= ∗ ∗ = 462 ∗ 2,7 ∗ 1 = 1247 18
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Hallamos el factor Q del inductor : Q=wR2R3C1/R2R3/R1 = wR1C1 Q = wR1C1 = (2*(3.14))/10000*(1.7*1) = uF = 0,106
Simulación en Proteus 8 profesional para verificar equilibrio (Datos de la práctica)
Errores de medición. Como se utilizó software, este proporciona datos muy exactos pues no hay factores que afecten o alteren la medición como temperatura, estática y demás; la única causa de error de medición en este caso sería la de la propia resistencia al ser medida por el multímetro digital.
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PRÁCTICA 2: ADECUACIÓN DE SEÑALES Objetivo: Comprender procesos que permiten la adecuación de señales analógicas para su posterior procesamiento o visualización. Insumos necesarios:
Protoboard resistencias (según valores calculados en el diseño) Cables para conexión Amplificador Lm324 Potenciómetro de 5K multímetro fuente de poder.
Espacio de apoyo: Foro en el entorno práctico. El tutor que orienta el componente práctico será el principal encargado de brindar apoyo en esta temática. Actividades a realizar: 1. Realice el paso a paso para medir en un osciloscopio el desfase entre dos señales. (Seleccione las señales a medir). 2. Implemente un puente de wheatstone, aliméntelo con 1V, para la medición de un potenciómetro de 5K, mida la salida variando el potenciómetro desde el equilibrio (0V) hasta su desequilibrio máximo (VMax). 3. Amplifique la salida del puente de Wheatstone, mediante la implementación de un amplificador de instrumentación con amplificadores operacionales, obtenga una salida en escala de 0V-9V.
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Solución.
1. se simula desfase con condensador el cual adelanta la fase.
Montaje fisico
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INSTRUMENTACION
Comprobación de desfase
Se mide el desfase en osciloscopio y generador real.
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2. Implemente un puente de wheatstone, aliméntelo con 1V, para la medición de un potenciómetro de 5K, mida la salida variando el potenciómetro desde el equilibrio (0V) hasta su desequilibrio máximo (VMax).
Potenciometro en 0% = desequilibrio 0Vdc Potenciometro en 100% = dsequilibrio MAX = 0,33 Vdc
Voltaje suministrado
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Simulación en Proteus.
Punto de equilibrio
Desequilibrio maximo
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3. Amplifique la salida del puente de Wheatstone, mediante la implementación de un amplificador de instrumentación con amplificadores operacionales, obtenga una salida en escala de 0V9V.
La amplificación = 27 veces. Tenemos la siguiente información. Vin= 0,33Vdc Vout= 0,33 x 27,3 = 9,00 Vdc R1 = 1K De la siguiente formula Vout = (v1-v2)(1+ 2R1/Rg) Para calcular la resistencia de ganancia tenemos la siguiente formula:Rg =
V..R Vout−V
=
,. Ω = −,
76,12
Ω
Montaje físico
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Simulación en Proteus con el puente wheatstone equilibrado.
Simulacion en proteus con voltaje amplificado 27 veces Vout= 0,33 x 27,3 = 9,00 Vdc
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PRÁCTICA 3: APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN Objetivo: Implementar un sistemas de instrumentación completo. Insumos necesarios:
Protoboard resistencias (según valores calculados) Cables para conexión Foto resistencia Amplificador AD620 multímetro fuente de poder. LM3914 y LM35
Espacio de apoyo: Foro en el entorno práctico. El tutor que orienta el componente práctico será el principal encargado de brindar apoyo en esta temática. Actividades a realizar: 1. Implemente un puente de Wheatstone, alimentado con 500mV, para la medición de la luminosidad por medio de una foto resistencia, obtenga a la salida del amplificador de instrumentación un voltaje en escala de 4V-9V. 2. Visualice la salida del amplificador en leds mediante el uso del LM3914. 3. Implemente un LM35 y visualice la medición de temperatura mediante leds, usando el LM3914.
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Solución: 1. Implemente un puente de Wheatstone, alimentado con 500mV, para la medición de la luminosidad por medio de una foto resistencia, obtenga a la salida del amplificador de instrumentación un voltaje en escala de 4V-9V.
Montaje en protoboard
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Alimentación de 500mV
Simulación en Proteus perfecta
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Cálculos matematicos
Rg = R5 La ganancia es de 2.2 x 49.4/2.2 = 23.4 es la ganancia 0.5dc v x 23.4 = 11.7 vdc Teóricamente en los cálculos y en la simulación nos dio perfecto.
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Alimentacion del puente wheatstone (500mV) y alimentación del amplificador(15v)
Se genero el voltaje independiente de los 15vdc y tampoco nos dio resultado físicamente.
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2. Visualice la salida del amplificador en leds mediante el uso del LM3914. Primero hallamos el voltaje de referencia para la alimentación de los leds. iniciamos con el valor de R1 es de 1k (1000 ohmios) y R2 es de 3.8k (3800 ohmios); aplicando la formula propuesta en la datasheet del LM3914 (Voltaje de referencia = 1.25 * (1+ R2/R1)), obtendremos el rango de voltajes sobre el cual trabajara el LM3914. Resolviendo la formula, obtendríamos el siguiente resultado:
1.25 * (3.8k / 1k + 1) = 6v. Esto significa que el LM3914, leerá en su entrada (pin 5) un voltaje entre 0 y 6vdc. También es bueno saber, cada cuanto voltaje se incrementará la escala; para saberlo, solo basta dividir el número de salidas (10 en total) con el voltaje máximo que puede llegar a la entrada. En este ejemplo, será el resultado de dividir 5.31 / 10 = 0.5v. Cada led de la escala se encenderá entonces, cuando la entrada se incremente en 0.5v, como se puede ver a continuación: Led 1 = 0.5v Led 2 = 1.0v Led 3 = 1.5v Led 4 = 2.0v Led 5 = 2.5v Led 6 = 3.0v Led 7 = 3.5v Led 8 = 4.0v Led 9 = 4.5v Led 10 = 5.0v
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Voltaje de referencia y voltaje de entrada al pin 5 para su posterior salida
Vamos incrementando el voltaje en el pin 5 (0.06)
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0.09V
1.5V
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1.9V
2.5V
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Voltaje máximo en el calculo 5.8V
3. Implemente un LM35 y visualice la medición de temperatura mediante leds, usando el LM3914.
Simulamos la temperatura ambiente en Proteus y nos indica 6° por led
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54° grados en Proteus
Alimentación 18V
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24 °C en físico
42°C físicos.
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Alcanzamos 48 °C en laboratorio físico.
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CONCLUSIONES
Se comprobó el funcionamiento de los puentes de Wheatston. Y Maxwell Se aplicaron los conocimientos adquiridos en el curso de instrumentación y mediciones Se realizaron varios proyectos en 3 laboratorios, estos por etapa, diseño y montaje para validar el funcionamiento. Se implementó la parte de programación, para poder complementar el proyecto. Se adquirieron las destrezas necesarias trabajar con los Amplicifadores operacionales Lm324 y AD620 Se adquirieron las destrezas necesarias trabajar el LM3914 circuito integrado diseñado para visualizar el valor de una señal eléctrica comparada con un valor de referencia. Se adquirieron las destrezas necesarias trabajar el LM35 que es un sensor de temperatura de precisión Exploramos el programa proteus y aprendimos a generar simulaciones que son importantes en proyectos de este tipo. Se trabajó en equipo y se afianzo en aportar para un bien común.
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