myslide.es_guia-para-laboratorios-sensores-y-acondicionadores-de-senal.pdf

IE. PhD. Francisco Francisco Ernesto Moreno Moreno García

��

Universidad Francisco de Paula Santander Facultad de Ingeniería Ingeniería Departamento de Electricidad Electricidad y Electrónica Electrónica

��

Francisco Ernesto Moreno García

Grupo de Investigación en Automatización Automatización y Control GIAC

I

Normas que regulan el derecho de autor en Colombia

Código civil: Art 671 – Las producciones del talento o del d el ingenio son una propiedad de d e sus autores: esta especie de propiedad se regirá por leyes especiales

Ley No. 23 de 1982 “Sobre derechos de autor” Art 1. Los autores de obras o bras lit erarias, científicas y artísticas gozarán de d e protección prot ección para sus obras en la forma prescrita por la presente ley y en cuanto fuere compatible con ella, por el derecho común. También protege esta l ey a los i ntérpretes o ejecutantes, a los productos de fonogramas y a los organismos de radiodifusión, en sus derechos conexos a los del autor.

Ley 44 de 1993 “Por la cual se modifica y adiciona la ley 23 de 1982 y se modifica la ley 29 de 1944” Contempla disposiciones relacionadas con el registro nacional del derecho de autor y las sociedades de gestión colectiva de derechos de autor y derechos conexos

II

“El Profesor enseña, el alumno aprende si quiere, la vida le cobrará sus decisiones de vida”

FRANCISCO ERNESTO MORENO GARCIA

III

PROLOGO Se entiende que el conjunto de saberes y formas de la cultura cuya asimilación y apropiación por parte de los alumnos se considera esencial para su desarrollo y socialización. Es por eso, que durante su formación y en su posterior desempeño, el universitario debe poseer los conocimientos, las habilidades y las destrezas para saber hacer, ejercer y resolver, con calidad y pertinencia, los retos que la vida, el campo laboral y la práctica profesional le demandan. Una orientación disciplinar, permite profundizar teórica y experimentalmente las ciencias y conocimientos aplicados a los campos específicos de la profesión. Es aquí donde este material didáctico contribuye a la construcción de las competencias propias de la profesión del Ingeniero Electromecánico o Electrónico, que se relacionan con su objeto de estudio y con los desempeños esperados del profesional. De forma que se va aportando a la construcción y aprendizaje de los procedimientos, instrumentos y técnicas empleadas para afrontar los problemas que la profesión enfrenta. El contenido de este material, además de estar enmarcado dentro de las áreas de formación, permite administrarse dentro de ejes de formación, entendidos estos como conjuntos de contenidos interrelacionados, que si bien interactúan con otros ejes, forman una unidad claramente diferenciable. Para nuestro caso, el estudiante es involucrado en el estudio de las características técnicas de los sensores (temperatura, presión, flujo, nivel y otros), y funcionamiento de los acondicionadores de señal, para estar en capacidad de presentar proyectos en el área de instrumentación industrial a futuro. En el laboratorio se utiliza una metodología de tipo abierto donde el estudiante pueda contrastar los diseños desarrollados en clase con prácticas reales, comprobables, que le permitan una seguridad en cada uno de los ejercicios elaborados, y así logren alcanzar los objetivos propuestos para cada una de las ocho (8) prácticas que se realizan durante el semestre.

Este material académico privilegia el desarrollo de las siguientes competencias: Valorativas: • • •

Análisis y conceptualización de los diferentes tópicos a trabajar Desarrollo de la capacidad de síntesis y aplicación de los sistemas involucrados. Valoración de la relación del trabajo en grupo para enfrentar y solucionar problemas en ingeniería.

Transversales (cognitivas, comunicativas, específicas de carrera e investigativas) • • • •

Cognitiva: Capacidad para razonar con lógica con el objetivo de analizar, deducir y sintetizar. Comunicativa: Desarrollo de trabajos ya sea a investigación y consulta. Interdisciplinar: Estimular el trabajo con personas de diferentes disciplinas. Investigativa: Fomentar el desarrollo de la investigación tecnológica y/o científica IV

CONTENIDO Pág.

LABORATORIO No. 1 – Introducción sistemas de medición

1

LABORATORIO No. 2 – Circuitos de acondicionamiento para sensores de temperatura RTD y AD590

6

LABORATORIO No. 3 – Circuitos de acondicionamiento para sensores de temperatura tipo Termistores

11

LABORATORIO No. 4 – Circuitos de acondicionamiento para sensores galgas extensiométrica

17

LABORATORIO No. 5 – Circuitos de acondicionamiento para sensores de Humedad tipo resistivo

23

LABORATORIO No. 6 – Circuitos de acondicionamiento para sensores de LDR y sensores ultrasónicos

32

LABORATORIO No. 7 – Circuitos de acondicionamiento F/V

39

LABORATORIO No. 8 – Entrenamiento para el uso de la tarjeta USB DAQ 6008/6009 de NI

44

V

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL

LABORATORIO No. 1 – Introducción sistemas de medición INSTRUCCIONES 1- Las actividades de laboratorio y talleres deberán ser desarrollados en grupos de hasta 2 (dos)

alumnos. 2- Las técnicas y herramientas didácticas que se empleen en los laboratorios tiene como finalidad el refuerzo, la conformación y ejecución de los diferentes aspectos que hacen parte de la asignatura. De forma que el alumno desarrolle un pensamiento flexible, dinámico, audaz, independiente, persistente, divergente y original en su formación como profesional.

OBJETIVOS •

Hacer uso de los comandos de Matlab y simulink para familiarizarse con su uso.

REFERENCIAS • • • •

Andrew Knight Basics of MATLAB and Beyond. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 1999. Hanselman, D; Littlefield, B. MATLAB 5: Versão do Estudante, Guia do Usuário, Makron Books, 1999. White Robert: Computational Mathematics: Models, Methods, and Analysis with MATLAB and MPI. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 2003. http:// www.mathworks.com

TRATAMIENTO DE DATOS EXPERIMENTALES 1. Ejercicio En un experimento fueron adquiridas 100 medidas de una grandeza física. Los valores medidos son presentados en la tabla 1 TABLA 1 – Datos adquiridos en el Experimento 8.0014 8.0017 7.9965 7.9920 7.9996 8.0091

7.9913 7.9994 8.0053 7.9994 7.9967 8.0076

7.9934 8.0001 8.0150 7.9931 7.9899 8.0008

8.0119 8.0079 8.0136 7.9889 8.4234 8.0084

7.9910 8.0000 7.9994 8.0020 8.0100 7.5896

8.0033 7.9925 7.9975 7.9840 7.9980 7.9946

7.9938 7.9920 8.0049 8.0005 8.0077 7.9915

7.9877 8.0146 8.0069 8.0094 7.9979 8.0232

8.0115 8.0012 8.0041 7.9997 8.0150 7.9948

8.0087 7.9838 8.0006 7.9924 7.9896 7.9765

8.0071 8.3234 7.9929 7.9941 7.9890 8.0047 1

7.9892 7.9972 7.9926 7.9971 8.0082 8.0062 7.9943 7.9880 8.0211 8.0030 7.9850 8.0058 8.0009 7.9975 8.0055 7.9941 7.9982 7.9839 8.0014 7.9985 7.9738 7.9745 8.0073 7.5347 7.9983 7.9884 7.9988 7.9900 8.0148 8.0073 7.9784 8.0146 7.9984 8.0031 Se pide: a) Calcular la media aritmética, el desvió padrón (o bien conocido como desviación estándar), la amplitud de la muestra, la kurtosis y la skewness. Graficar los datos. Es posible identificar algún error en la medición? b) Aplicar el criterio de Chauvenet y recalcule los parámetros estadísticos del ítem (a), escribir una subrutina en Matlab para encontrar los valores que tengan desvíos mayores o iguales a lo permitido y remuévalos de los datos experimentales. Graficar los datos modificados.

2. Ejercicio En un ensayo de calibración fueron obtenidas las medidas de la entrada (x) y de la salida (y) de un sistema de Medición, como se presentan en la tabla 2. Ajustar una recta de regresión y calcular los desvíos padrones Sb y Sm (para los coeficientes independiente y angular de la recta). Determinar el coeficiente de correlación. Graficar los datos y la recta de regresión, y los desvíos entre ellos en función de la entrada.

Tabla 2 Ensayo de Calibración x y

10.7 12.0 13.7 15.1 16.0 17.0 17.9 18.7 19.9 20.8 20.8 22.2 23.5 25.1 26.4 36.8 43.2 44.0 47.0 48.9 50.8 51.6 57.8 59.1 61.2 62.3 66.4 71.4 70.8 77.6

Para el cálculo del coeficiente de correlación , está definido en matlab con el comando corr2 , y matemáticamente se calcula como: N

∑ ( xi − x )( yi − y ) r xy

=

i =1

 N  N   ∑ ( xi − x ) 2  ∑ ( yi − y ) 2   i =1  i =1 

Para el cálculo del desvió padrón (desviación estándar) de la señal de salida , está definida matemáticamente como: S y = 2

1

N

∑ ( yi − y ) N

2

i =1

Para el desvio del coeficiente angular de la Recta se define como S m

= 2

N * S y2 2

N ∑ xi

−(

∑ xi )

2

2

Finalmente, el desvio del coeficiente independiente de la Reta se define como 2

2

∑ xi * S y S b = 2 N ∑ xi2 − (∑ xi ) 2 3. Ejercicio Determinar la función de correlación más adecuada para representar los datos experimentales de la siguiente tabla, con cual parámetro estadístico se calificaría el mejor ajuste? t °C

10 1.98

20 2.01

30 1.95

40 1.93

50 1.88

100 1.81

200 1.60

500 1.21

Señor estudiante, investigue el toolbox cftool del matlab

4. Ejercicio Determinar los coeficientes para una regresión lineal múltiple para los datos de la Tabla 4 y calcular el coeficiente de correlación.

Tabla 3 Sistema de 3 entradas y una salida y

6.8 7.8 7.9 8.0 8.3 8.4 8.5 8.6 8.9 9.1 9.3 9.6

x1

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

x2

2.0 2.0 2.0 3.0 3.0 3.0 4.0 4.0 4.0 5.0 5.0 5.0

x3

1.0 1.5 2.0 1.5 2.0 2.0 1.0 1.5 2.0 1.0 1.5 2.0

Para este caso, la función tiene más de una variable independiente como lo son x1 , x2 , x3. El modelo para una regresión múltiple para este caso es y = a0 + a1 x1 + a 2 x2 + a3 x3

5. Ejercicio Se aplica un resistor, de un lote de resistores, en un punto donde el voltaje fluctúa de una manera 3

estadística. El valor probable de la resistencia se obtiene de las siguientes lecturas. R(�) : 220,2

220,0

220,1

220,2

220,3

220,1 220,0

El valor probable del voltaje se determina de las siguientes lecturas V(v) : 24,3 24,0 24,3 24,1 24,3 23,2 24,4 24,5 24,3 24,3 Se pide determinar el valor probable de la potencia disipada en un resistor del lote.

6. Ejercicio Para generar una señal harmónica exponencialmente decreciente: x(t) = exp(-0.25·2π·f·t) · sin(2π·f·t), con 1024 pontos, f = 20 Hz, de modo que a resolución en frecuencia en el espectro sea ∆f = 1 Hz. Se pide graficar la señal en el tiempo y su espectro de frecuencias para posteriormente analizar dichos resultado. Para desarrollar este ejercicio, partimos de una resolución ∆f = 1 Hz con N=1024 número de puntos (muestras), teniendo como frecuencia de muestreo fs = 1024 Hz Por lo tanto, el paso de la señal es ∆t = 1 fs = 11024 Hz = 0.0009765seg

Así la señal harmónica exponencialmente decreciente puede ser obtenida de la siguiente manera: 1

0.8

MATLAB >> t=0:0.0009765:1; >> x1 = exp(-0.25*2*pi*20*t); >> x2 = sin(2*pi*20*t); >> x=x1.*x2 >> plot(t,x)

0.6 ) t ( x e d u t i l p m A

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

0

0.2

0.4 0.6 Tempo [seg]

0.8

1

4

Espectro sinal harmon ico exponencialment e decrecente 0.35

0.3

0.25

Continuación MATLAB >> f=fft(x) >> Pff=f.*conj(f)/1024; >> Freq=0:1:1024/2; >> plot(Freq,Pff(1:513))

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0

100

200

300 400 Frequencias [Hz]

500

600

7. Ejercicio Genere una señal: x(t)=sin(2 π·f1·t)+sin(2π·f2·t)+sin(2π·f3·t)+sin(2π·f4·t) con: t=0 : dt : (n-1)*dt; n=256, dt=1/n, f1=10, f2=20, f3=30.5 f4=236 Hz. Graficar x(t) e intente determinar las frecuencias que la componen a partir de la señal en el tiempo. Para dicha señal x(t), generar una ventana hanning y multiplíquela por la señal x(t). Obtenga la transformada de Fourier a través de matlab.

5


LABORATORIO No. 2 – Circuitos de acondicionamiento para sensores de temperatura RTD y AD590 INSTRUCCIONES 1- Las actividades de laboratorio y talleres deberán ser desarrollados en grupos de hasta 2 (dos) alumnos. 2- Las técnicas y herramientas didácticas que se empleen en los laboratorios tiene como finalidad el refuerzo, la conformación y ejecución de los diferentes aspectos que hacen parte de la asignatura. De forma que el alumno desarrolle un pensamiento flexible, dinámico, audaz, independiente, persistente, divergente y original en su formación como profesional. Se evaluará calidad en el diseño y precisión de su sistema de medición. OBJETIVOS • • •

Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores de temperatura tipo RTD y AD590. Obtener las curvas de calibración con su respectivo modelo matemático Volts = f (Temperatura) Además el alumno ampliará y consolidará de una manera práctica los conocimientos adquiridos en la más reciente clase del curso de sensores y acondicionadores de señal. Para ello se utilizará un método PBL (“ Project based learning”, aprendizaje basado en proyectos) que consistirá en el desarrollo de un prototipo a partir de unas especificaciones iniciales.

REFERENCIAS • • •

Andrew Knight Basics of MATLAB and Beyond. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 1999. White Robert: Computational Mathematics: Models, Methods, and Analysis with MATLAB and MPI. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 2003. http:// www.mathworks.com

8. Ejercicio Se pide diseñar un circuito de acondicionamiento para medir temperatura ya sea utilizando un AD590 o un PT100, o cualquier tipo de sensor RTD que le corresponda en el laboratorio. Dicho circuito que va diseñar deberá ser implementado en protoboard utilizando ya sea un puente de wheastone o cualquier configuración de acondicionamiento apoyándose en circuitos integrados por ejemplo LM741 o LF353 o INA125 etc. El sistema de medición que usted va diseñar debe presentar un voltaje de salida de 0 a +10 Vdc proporcionales al rango de temperatura para lo cual lo utilizará.

6

24°C a 70°C

Sensor

Circuito de acondicionamiento

0 a +10 Vdc

Además a partir de su diseño trace la curva de calibración Voltaje vs. Temperatura usando los datos experimentales que ha medido. Cuál es la sensibilidad de su sistema de medición [V/°C]. Ajustar a una función matemática que modele su sistema. Determine la incerteza de su diseño.

9. Ejercicio El AD590 es un sensor excelente para conversiones de temperatura a corriente debida a su buena linealidad con una razón de transducción de 1uA/°K. El circuito de la siguiente figura 1 es el circuito de transducción del AD590 con dos diferentes salidas de transducción, la de 10mV/°K en J6 y la de 100mV/°C en J7. El U1 (es un LM741) actúa como un seguidor de voltaje. Cuando J3 y J4 están puenteados, la salida de U1 puede obtener el voltaje de 10mV/°K ajustando el VR1 para que VR2 + R2 = 10K �. En muchas aplicaciones, la escala celcius es más conveniente que la temperatura absoluta. La relación entre dos escalas de temperatura es °K = °C + 273,2 y 273,2 °K = 0°C. En otras palabras, si la temperatura está a 273,2 °K (0°C), los voltajes de salida en J8 y J6 deberían ser 2,732v y 0v, respectivamente. Para producir el voltaje estabilizado de 2,732V, se usa un regulador de voltaje que consiste de R7, CR1, R8, VR2, R9 y U3.

Figura 1. Circuito acondicionador del AD590 7

En la figura 2 se presenta un circuito básico de un controlador ON/OFF de temperatura (tipo alarma). El LED1 representa un calentador. El voltaje en la entrada V+ del comparador no inversor viene del circuito transductor AD590 para la temperatura de percepción y a la entrada de inversión Vse establece por medio de un ajuste en el VR2 una temperatura de configuración ( setpoint ). Si V+ < V-, la salida de U1 ( siendo un LM741) está en –Vsat, por lot tanto el transistor Q1 conduce y el LED está en ON (encendido). Cuando V+ exactamente excede V-, el comparador U1 cambia de estado, Vo=+Vsat, y el LED entra a OFF

V+

LM741

V-

Vo

Figura 2. Controlador ON/OFF de Temperatura

10. Ejercicio El RTD (detector de la temperatura de resistencia) es una resistencia de alambre bobinado con un coeficiente de resistencia de temperatura positiva. El metal que se usa como RTD generalmente tiene un coeficiente de resistencia de baja temperatura, alta estabilidad y un amplio rango de detección de temperatura. El platino es el material que se usa más comúnmente en los RTD. Otros materiales como el cobre y el níquel son apropiados para este propósito. Las curvas de resistencia vs temperatura (R vs. T) del platino, el cobre y el níquel se muestran en la figura 3.

(a) (b) Figura 3. (a) Aspecto físico de un PT100. (b) Curvas R vs T del platino, el cobre y el níquel. 8

Un circuito de acondicionamiento PT100 se muestra en la figura 4. Éste tiene una razón de traducción de 100 mV/°C. El circuito de corriente constante consiste de los elementos CR1, CR2, Q1, R1, R2 y VR1 para proporcionar una corriente de 2,55 mA a través del PT100. Esta corriente se expresa por medio de: IC = IE = (VCR1 + VCR2 + VBE ) / (V R1 + R2) Si VCR1 = VBE entonces IC = VCR2 / (VR1 + R2) En esta ecuación la corriente constante I C puede establecerse ajustando la resistencia de VR1 El OP AMP U1 es un amplificador de no inversión con un voltaje de salida de V B = 10VA = (2550 + 10T) mV. El U2 es un amplificador diferencial. Ajustando VR2, V K1, el voltaje de salida del U3 puede establecerse 2550 mV. Como resultado, el voltaje de salida del circuito transductor es de 10(V B-VK1) = 10(2550 + 10T - 2550) mV = 100TmV, y la tasa de conversión es de 100 mV/°C En dicho circuito, con el voltaje de salida del U2 para eliminar el efecto causado por el voltaje de compensación (2,55 mA a través del PT100). EL voltaje zener V CR3 es aplicado al divisor de voltaje (R12, VR2 y R13) cuya salida es entonces amortiguada por el seguidor de voltaje a manera omitir la compensación.

Figura 4. Circuito acondicionador para un PT100 9

El circuito de la figura 5 es una alarma on/off . El potenciómetro VR2 se usa para el establecimiento de la temperatura de referencia. Si la temperatura percibida por el PT100 es más baja que la temperatura de referencia, la salida del comparador sea –Vsat lo cual hará que tanto el Q1 como el led1 se apaguen. En caso contrario, cuando se excede la temperatura de referencia, la salida del comparador será +Vsat, lo cual encenderá el led1.

Figura 5. Controlador alarma a través de la Temperatura

10


LABORATORIO No. 3 – Circuitos de acondicionamiento para sensores de temperatura tipo Termistores INSTRUCCIONES 1- Las actividades de laboratorio y talleres deberán ser desarrollados en grupos de hasta 2 (dos) alumnos. 2- Las técnicas y herramientas didácticas que se empleen en los laboratorios tiene como finalidad el refuerzo, la conformación y ejecución de los diferentes aspectos que hacen parte de la asignatura. De forma que el alumno desarrolle un pensamiento flexible, dinámico, audaz, independiente, persistente, divergente y original en su formación como profesional. OBJETIVOS • • • •

Obtener la curva característica del termistor NTC y PTC Determinar las curvas ‘S’ para un termistor dado, desarrollando un código en MatLab donde se aplique la ecuación característica del termistor. Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores de temperatura Obtener el respectivo modelo matemático Volts = f (Temp)


Andrew Knight Basics of MATLAB and Beyond. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 1999. http:// www.mathworks.com http:// www.hispavila.com

A. TERMISTOR Una resistencia que es sensible a la temperatura es lo que se llama un termistor, una definición más técnica sería: A la resistencia con coeficiente de temperatura negativo, conocida como termistor, NTC o con coeficiente de temperatura positivo PTC, a este tipo de resistencias la temperatura ambiente les afecta de modo que modifican su valor dentro de unos parámetros. Hay varios tipos de encapsulado: La resistencia de la mayoría de los tipos comunes de termistor disminuye mientras que se eleva la temperatura. Se llaman de, coeficiente negativo de temperatura o termistores NTC. Observe el -t° al lado del símbolo del circuito. Un termistor NTC típico se hace usando materiales de óxido de metal semiconductor. Los semiconductores tienen la característica de ofrecer la mitad de la resistencia entre 11

los conductores y los aislantes. Mientras más se eleva la temperatura, más portadores de carga están disponibles y esto causa la caída del valor de la resistencia.

Figura 6. Tipos de termistores Aunque es menos utilizado, es posible fabricar termistores de temperatura de coeficiente positivo o PTC. Éstos se hacen de diversos materiales y muestran un aumento de resistencia que varía con temperatura. ¿Cómo podríamos hacer un circuito con este sensor, para su uso en una alarma de incendios? Utilizaremos un circuito que entregue una tensión alta cuando se detecten las condiciones de temperatura caliente. Necesitamos poner un divisor de tensión con un termistor NTC en la posición que ocupa Rarriba:

Rarriba

Figura 7. Divisor de voltaje aplicado a un termistor para temperaturas altas ¿Cómo podríamos hacer un circuito con un sensor para detectar temperaturas de menos de 4°C para advertir a motoristas que pueda haber hielo en la carretera? Usaremos un circuito que dé una tensión alta en condiciones frías. Necesitamos un divisor de voltaje con el termistor en lugar de R bajo:

12

Figura 8. Divisor de voltaje aplicado a un termistor para temperaturas bajas Este último ejemplo nos plantea una interesante pregunta: ¿Cómo saber qué valor de tensión de V out se va a conseguir con 4°C? Vea el siguiente gráfico de la característica de un termistor:

Figura 9. Curva Resistencia vs Temperatura del termistor

En el eje Y, se representa la resistencia con una escala logarítmica. Ésta es una manera de comprimir el gráfico de modo que sea más fácil ver cómo cambia la resistencia. Entre 100 Ω y 1000Ω, cada división horizontal corresponde a 100 Ω. Por otra parte, entre 1000 Ω y 10000Ω, cada división corresponde a 1000 Ω. Y sobre 10000 Ω, representa 10000 Ω cada división.

13

Como se puede apreciar, este termistor tiene una resistencia que varía de alrededor 70 k Ω en 0°C a cerca de 1 k Ω a 100°C. Los catálogos de los suministradores, dan generalmente la resistencia a 25°C, que en este caso será 20 k Ω. Generalmente, los catálogos también especifican un ' beta ' o ' B-valor '. Cuando se especifican estos dos números, es posible calcular un valor aproximado para la resistencia del termistor en cualquier temperatura de la ecuación particular: ( ((1/T) - (1/T0 )))

RT = RTo · e B

Donde: RT es la resistencia a temperatura T en grados Kelvin (k = ºC + 273) RTo es la resistencia de referencia a una temperatura T o en Kelvin. Cuando la temperatura de la referencia es 25 ºC, T 0 = 25+273. e es la base del logaritmo natural, elevada a la potencia [ B((1/T) - (1/T 0))] en esta ecuación. B es el 'B-valor' especificado para este termistor. Quizás no es necesario aplicar esta ecuación en este momento, pero es útil saber que, la información proporcionada en los catálogos es suficiente para permitir que podamos calcular el funcionamiento del termistor. Con MATLAB por ejemplo, es posible generar las curvas características para cualquier termistor, calculando los valores de la resistencia para una gama de temperaturas dadas. Con RTo = 20 kΩ y B = 4200, saltos de resistencia a partir de 0 a 10°C. Según la figura anterior, la resistencia para 4°C, se puede estimar poco menos de 60 k Ω. Mediante la ecuación se ha calculado el valor exacto, que es 58.2 k Ω. Los termistores vuelven a utilizarse en lugares en los que puede que no se imagine. Se utilizan extensivamente en coches, por ejemplo en: 

 

  

Inyección electrónica de combustible, en la cual la entada de aire, la mezcla aire/combustible y las temperaturas del agua que le enfría, se supervisan para ayudar a determinar la concentración del combustible para la inyección óptima. Controles de temperatura del aire acondicionado y de asientos en vehículos. Los indicadores de alertas, tales como temperaturas de aceite y de líquido, nivel de aceite y turbo-cargador. Control del motor de ventilador, basado en la temperatura del agua que se enfría. Sensores de escarcha, para la medida de la temperatura exterior. Sistemas acústicos.

Los termistores se utilizan para medir las temperaturas superficiales y profundas del mar para ayudar a supervisar corrientes del océano en el efecto EL NIÑO. Obviamente, los termistores se utilizan para medir flujo de aire, por ejemplo en la supervisión de la respiración en bebés prematuros, entre otras aplicaciones.

11.

Ejercicio Cuando el ventilador de nuestro computador se para, cosa que es bastante habitual por el uso 14

continuado, se seca la grasa del eje y llega a pararse o se desgasta el soporte del eje, produce el típico ruido poco antes de dañarse definitivamente. Para evitar que se queme algún componente de considerable costo, necesitamos un detector de temperatura que nos avise de tal circunstancia. Necesitamos un detector de temperatura que active un sonido de alerta que nos avise, utilizaremos un termistor NTC, un circuito integrado de bajo costo el 555 y unos pocos componentes asociados para este circuito como se presenta en la siguiente figura:

Figura 10. Circuito acondicionamiento aplicado en alarmas En el esquema anterior cuando la temperatura de la CPU supera el límite establecido por la NTC, se produce un aumento de la tensión en el pin 2, lo que produce el disparo del circuito integrado que está configurado como oscilador, generando una frecuencia audible que es amplificada por el transistor a su salida por el pin 3 y que podemos oír en el altavoz, además mediante el diodo led de la salida, nos indicará de forma visual que la temperatura está por encima de lo previsto.

12. Ejercicio Se pide simular la siguiente función que caracteriza el comportamiento de un termistor 1 f (t ) = 1 1 ) β ( t t 0 1+ S ⋅e Donde β = Es una constante del material que varía normalmente entre 2000°K y 5000°K t = Temperatura, es la variable independiente (darle valores entre ‐50° y 150° C, llevar a grados kelvin) t 0 = Temperatura del termistor en el agua helada, 0° C (llevar a grados kelvin) S = Valor arbitrario que define las curvas del termistor (Darle valores: 0.01, 0.02, 0.04, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1, 1.5, 2.0, 4.0, 6.0, 10, 15, 20) 15 −

Fijar un valor arbitrario de β y trazar las curvas a través de matlab. Cabe anotar que el verdadero valor de β se obtiene aplicando la siguiente fórmula:  Rt 1    Rt 2 

Ln 

β =

1 t1

−

1 t 2

Donde Rt 1 , Rt 2 representan la resistencia del termistor a la temperatura t 1 y t 2 respectivamente. Implemente un archivo tipo m‐ file en MatLab, que permita obtener las curvas “S” que caracterizan a un termistor. Realice cambios a la variable β para ver el comportamiento de las curvas. (2000 a 5000).

16


LABORATORIO No. 4 – Circuitos de acondicionamiento para sensores galgas extensiometricas INSTRUCCIONES 1- Las actividades de laboratorio y talleres deberán ser desarrollados en grupos de hasta 2 (dos) alumnos. 2- Las técnicas y herramientas didácticas que se empleen en los laboratorios tiene como finalidad el refuerzo, la conformación y ejecución de los diferentes aspectos que hacen parte de la asignatura. De forma que el alumno desarrolle un pensamiento flexible, dinámico, audaz, independiente, persistente, divergente y original en su formación como profesional. OBJETIVOS • •

Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores de fuerza tipo galgas extensométricas Obtener las curvas de calibración con su respectivo modelo matemático

REFERENCIAS • • • • •

GENERAL EASTERN. (2008). Instrumentos General Eastern. www.generaleastern.com VAISALA (2008). Guide to Metrological Instruments and Methods of Observation. Vaisala. MALVINO (1992) Principios de Electrónica / Edit. Mc. Graw Hill./enero 1992 4 edición. KL-600 µPA SENCONS TECHNICAL TRAINING. Sistema de control de percepción de la microcomputadora. K&H MFG CO LTD. www.kandth.com.tw CREUS A. (1998) Instrumentación industrial, México, Alfa y omega, Segunda edición. 387 p.

A. GALGA EXTENSIOMÉTRICA La galga extensiométrica nos permite obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la señal resultante, una lectura directa de la deformación longitudinal producida en un punto de la superficie de un material dado, en el cual se ha adherido la galga. La unidad de medida de la deformación se expresa mediante épsilon. Esta unidad de medida es adimensional, y expresa la relación existente entre el incremento de longitud experimentado por el objeto y la longitud inicial. El concepto de deformación engloba todas las variaciones sufridas por un cuerpo cuando éste ha sido sometido a una fuerza externa, bien sea compresión, tracción, torsión o flexión. La galga extensométricas es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro variable y sujeto a 17

medida es la resistencia de dicha galga. Esta variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga. Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está pegada. El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino, de forma que la mayor parte de su longitud está distribuida paralelamente a una dirección determinada En el aspecto comercial, generalmente las galgas se venden integradas en transductores completos. El fabricante nos proporciona las características completas de éstos.

Figura 11. Sensor de fuerza piezo resistivo Flexiforce FSR-01 (Galga extensiometrica) La figura 12, representa la característica del sensor en términos de fuerza-resistencia. Es evidente un umbral exponencial o "fuerza de ruptura", presentando una resistencia mayor de los 100 k � a medidas de fuerza por debajo de los 20 gramos. Sin embargo la galga presenta un comportamiento lineal en un rango de operación viable establecido desde los 30 gramos hasta los 10 Kilogramos.

Figura 12. Resistencia vs. Fuerza

13. Ejercicio: Divisor de voltaje FSR Una simple conversión fuerza – voltaje dado en la siguiente figura, es uno de los básicos circuitos de acondicionamiento que pueden ser aplicados a galgas. El voltaje de salida está dado como VOUT = (V+) / [1 + RFSR/RM]. 18

Figura 13. Circuito divisor de voltaje FSR En esta configuración, el voltaje de salida aumenta proporcionalmente cuando la fuerza aumenta también. Si la resistencia RFSR y RM son intercambiadas, la salida deberá disminuir con el incremento de la fuerza. La resistencia de medida, RM, se elige para maximizar el rango de sensibilidad de la fuerza deseada y para limitar la corriente. La corriente a través de la FSR debe limitarse a menos de 1 mA / cm 2 de fuerza aplicada. Los amplificadores operacionales sugeridos para los diseños de suministro de una sola etapa son LM358 y LM324. Dispositivos de entrada FET como LF355 y TL082 también son buenos. Las bajas corrientes de polarización de estos amplificadores reducen el error debido a la impedancia del divisor de tensión. Realice una familia de curvas de fuerza frente VOUT para una FSR estándar en un divisor de voltaje utilizando varios valores de resistencias RM. Alimente el divisor de voltaje (V+) con 5 V.

14. Ejercicio: Divisor de voltaje FSR con buffer ajustable El circuito de la siguiente figura produce resultados similares al anterior, pero el ajuste de desplazamiento está aislado de la ganancia ajustable. Con esta separación, no existe ninguna limitación en los valores para el potenciómetro. Valores típicos para R5 están alrededor de los 10k �.

Figura 14. Circuito divisor de voltaje FSR con buffer ajustable 19

15. Ejercicio: Caso de estudio “Seleccionador por peso” Como nos podemos imaginar, en la industria es necesario clasificar algún material o pieza dependiendo de algunas variables, en este caso es necesario clasificarlos por su peso, manualmente esto se hace con una báscula y una persona se encarga de pesar pieza por pieza y así definir en qué clasificación está. Pero lo que se quiere es desarrollar un sistema que acelere el proceso ya que no es necesaria la habilidad humana para un sistema tan sencillo y repetitivo. Como sabemos las galgas son una resistencia variable dependiendo de la presión aplicada, primero necesitamos el diseño de un puente de wheatstone para obtener un voltaje de 0 volts cuando no se tiene ninguna pieza sensada. Cuando alguna pieza sea sensada tiene que dar un valor de voltaje dependiendo de cuanto pese. Por lo tanto el circuito acondicionador necesitará de unos buffers de voltaje y después un amplificador restador para obtener una señal variable y fácilmente manipulable. El circuito es el siguiente:

Figura 15. Circuito acondicionamiento para galga extensiometrica Ya para el seleccionador, el usuario definirá de que peso querrá las clasificaciones de sus piezas entre valores que van desde 0 Kg hasta 5 Kg. Esto está más claramente explicado en el siguiente circuito:

Figura 16. Circuito seleccionador logico por peso 20

16. Ejercicio: Sistema medición de peso tipo plato La figura 17 muestra un circuito transductor de célula de carga que tiene una tasa de transducción de 1mV/g. la célula de carga (galga extensiometrica) que se usa en este experimento tiene un rango de medición de 0 a 5 Kg con una salida a escala completa de 20 mV ± 10%; el voltaje de alimentación recomendado es de ±5 Vdc, y la tasa de transducción de salida de 4 mV ±10% / Kg

Figura 17. Circuito transductor de una célula de carga En la figura 17, los U1, U2 y U3 (son amplificadores operaciones (OPA)) se combinan para formar un amplificador de instrumentación con una ganancia de voltaje total de 2 x R2/ (R1+VR1). Para obtener una salida de 1 mV/g, el amplificador instrumental debe tener una ganancia de 250 (4 mV/Kg x 250 = 1 V/Kg). Como la célula de carga tiene una salida de voltaje relativamente pequeña de 20 mV, las desviaciones causadas por los voltajes de compensación del OPA debilitarán seriamente la exactitud de la célula de carga. Por lo tanto, OPAs con voltajes de compensación extra bajos, son los recomendados. En condiciones de peso nulo, el voltaje de salida de la célula de carga no es cero, y la tasa de transducción de salida no está exactamente en los 4 mV/Kg. Lo anterior puede ser mejorado proporcionando un voltaje de compensación a la entrada del amplificador instrumental, y esto último puede ser mejorado ajustando el VR1 para que incremente las ganancias de voltaje. 21

El regulador de voltaje (R8, CR1) y el divisor de voltaje (R9, R10) proporcionan 6 V de voltaje regulado para la entrada V+ del U4. El U4 es un seguidor de voltaje y el U5 es un amplificador de inversión con una ganancia de voltaje de -1. Ajustando el VR2, la salida del U6 puede establecerse entre +1.2 V y – 1.2V y la salida cero del circuito de transducción puede ser obtenida en condiciones de peso nulo. Pasos a. b. c. d.

Implemente el circuito transductor de la célula de carga con los voltajes apropiados. Conecte los conductores de la célula de carga a los conectores J1, J2, J3 y J6. Mida el voltaje de salida de la célula de carga entre el J4 y el J7. Registre el voltaje de salida para cada peso en la siguiente tabla.

Peso [g] J4-J7 [V]

50

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

2000

3000

4000

5000

e. Conecte el J4 al J5 y el J7 al J8 f. En condiciones de peso nulo, ajuste el potenciómetro VR2 y mida el voltaje de salida en el punto J9 referenciado a tierra de forma que se tenga V J9 = 0 V g. Coloque un peso de 1 Kg en la celula de carga y ajuste el VR1 para V J9 = 1 V, este paso establece la tasa de transducción en 1 V/Kg. h. Mida y registre el voltaje de salida del J9 para cada peso en la siguiente tabla: Peso [g] J9 [V]

50

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

2000

3000

4000

5000

i. Trace la curva de voltaje vs. Peso usando los datos de la tabla anterior. j. De acuerdo a la curva que anteriormente obtuvo, calcule a tasa de transducción dada en V/Kg o mV/g

22


LABORATORIO No. 5 – Circuitos de acondicionamiento para sensores de Humedad tipo resistivo INSTRUCCIONES 1- Las actividades de laboratorio y talleres deberán ser desarrollados en grupos de hasta 2 (dos) alumnos. 2- Las técnicas y herramientas didácticas que se empleen en los laboratorios tiene como finalidad el refuerzo, la conformación y ejecución de los diferentes aspectos que hacen parte de la asignatura. De forma que el alumno desarrolle un pensamiento flexible, dinámico, audaz, independiente, persistente, divergente y original en su formación como profesional. OBJETIVOS • •

Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores de humedad tipo resistivo Obtener las curvas de calibración con su respectivo modelo matemático Volts = f (RH%)

REFERENCIAS • • • • • • •

Andrew Knight Basics of MATLAB and Beyond. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 1999. White Robert: Computational Mathematics: Models, Methods, and Analysis with MATLAB and MPI. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 2003. Bentley, R. (1998). Temperature and Humidity Measurement. Vol. 1. Handbook of Temperature Measurements, chapter 7. Springer-Verlag, Singapore. La Guía MetAs. (2001). Humedad Relativa, Glosario. Diciembre del 2001. MetAs, S.A. de C.V. Cd. Guzmán, Jalisco, México. General Eastern. (2008). Instrumentos General Eastern. www.generaleastern.com Vaisala. (2008). Guide to Metrological Instruments and Methods of Observation. Vaisala. Visscher, G. (1999). Humidity and Moisture Measurement. Institute of Agricultural and Environmental Engineering.

A. MEDICIÓN DE HUMEDAD Podría decirse que la humedad juega un rol en todos los procesos industriales. El solo hecho de que la atmósfera contiene humedad hace que, por lo menos, se estudie su efecto en el almacenamiento y operación de los distintos productos y dispositivos. El alcance que la influencia de la humedad podría tener en cualquier proceso industrial puede variar pero es esencial que al menos sea monitoreada, y en muchos casos controlada. 23

La medición de la humedad es un proceso verdaderamente analítico en el cual el sensor debe estar en contacto directo con el proceso a medir, esto tiene, por supuesto, implicancias en la contaminación y degradación del sensor en niveles variables dependiendo de la naturaleza del ambiente. Existen muchas técnicas diferentes para la medición de humedad. El tema es algo complicado por la confusión en la variedad y diferentes formas de expresar las mediciones. En la práctica la humedad es una cantidad difícil de medir, y la incertidumbre es mayor que en otras áreas de medición como la masa, temperatura, presión, entre otras.

¿La Humedad? La palabra humedad denota la presencia de vapor de agua en el aire u otro gas. El valor cuantitativo de la humedad es determinado por la medición de la cantidad de vapor de agua en el aire. El aire de la atmósfera se considera normalmente como una mezcla de dos componentes: aire seco y agua. El agua es la única sustancia de la atmósfera que puede condensar (pasar de vapor a líquido) o evaporarse (pasar de líquido a vapor) a condiciones ambientales: este hecho justifica la división del aire atmosférico es aire seco y agua, y además provocan una gran cantidad de fenómenos meteorológicos como la lluvia, el rocío y las nubes. Además de todo esto, el estudio del agua en el aire atmosférico es esencial para la sensación de bienestar. El aire tiene una capacidad limitada para absorber vapor de agua. Esta capacidad depende principalmente de la temperatura, se podría decir que entre más caliente este el aire más vapor de agua puede contener. Cuando el aire está a cierta temperatura y su capacidad de absorción de vapor de agua está al límite, entonces se dice que el aire esta “Saturado”. La “humedad relativa” del aire expresa cuan saturado esta de vapor de agua. En los últimos años, el aumento en los requerimientos de mediciones más precisas y confiables con respecto a los niveles de humedad que intervienen en los procesos industriales y científicos a llevado al diseño de nuevas técnicas para la generación y medición de humedad, siendo esta una de las áreas más confusas y complicadas por la cantidad de términos y definiciones que describen la humedad. Así como la dificultad que se genera en la medición de humedad por la dependencia de factores variables como la presión y la temperatura.

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¿Cómo se mide la humedad? Las moléculas de agua cambian la longitud de materiales orgánicos, la conductividad y peso de materiales higroscópicos y absorbentes químicos, y en general la impedancia de casi cualquier material. Estos cambios son utilizados por los métodos o principios de medición de los instrumentos para la medición de humedad. Así, el contenido de agua puede ser medido removiendo el agua (vapor) de una muestra y medir el cambio de peso. Otros principios fundamentales son la evaporación de una superficie de agua con una corriente de gas (psicrometría) y el enfriamiento de una muestra de gas hasta que la condensaciones detectada. No existe una tecnología de medición apropiada para todas las aplicaciones. Algunas de las tecnologías típicamente usadas son: psicometría, desplazamiento, resistivos, capacitivos y por absorción de líquido. Veamos a continuación las más usadas. Sensores por Deformación La idea de este tipo de sensores, es aprovechar los cambios en las dimensiones que sufren ciertos tipos de materiales en presencia de la humedad. Los más afectados son algunas fibras orgánicas y sintéticas, como por ejemplo el cabello humano o de animales como el caballo, aunque en la actualidad solo se usan fibras sintéticas. Al aumentar la humedad relativa, las fibras aumentan de tamaño, es decir, se alargan. Luego esta deformación debe ser amplificada de alguna manera (por palancas mecánicas, o circuitos electrónicos), y debe ser graduada de acuerdo a la proporcionalidad con la humedad relativa. La incertidumbre de medición de este tipo de sensores es mínimo de ±3%, y su ventaja radica principalmente en que es fácil de reproducir, sin embargo, es poco robusto y no es de gran utilidad en aplicaciones industriales debido a la acumulación de polvo en las fibras lo que crea contaminación y por consecuencia una mala medición, su uso va dirigido a laboratorios donde se necesite llevar un registro de las condiciones ambientales diarias. Su rango de operación de humedad relativa está entre 15% y 95%, a temperatura ambiente entre los –20 y 70 ºC. Uno de los requisitos para lograr una medición más confiable, es que el aire circule a una velocidad de 3 m/s.

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Sensores mecánicos (por absorción o deformación) La idea de este tipo de sensores, es aprovechar los cambios en las dimensiones que sufren ciertos tipos de materiales en presencia de la humedad. Los más afectados son algunas fibras orgánicas como por ejemplo el cabello humano, pelo de animal, madera y papel; así como fibras sintéticas como el nylon. Al aumentar la humedad relativa, las fibras aumentan de tamaño, es decir, se alargan. Luego esta deformación debe ser amplificada de alguna manera (por palancas mecánicas, o circuitos electrónicos), y debe ser graduada de acuerdo a la proporcionalidad con la humedad relativa.

Figura 18. Sensor fibra sensible El error de medición de este tipo de sensores se especifica de 3 %HR, y su ventaja radica principalmente en que es fácil de reproducir, sin embargo, es poco robusto y no es de gran utilidad en aplicaciones industriales. Su intervalo de operación es de humedades relativas entre 15...95 %HR, a temperatura ambiente entre los -20…+70 ºC. Uno de los requisitos para lograr una medición más confiable, es que el aire circule a una velocidad de 3 m/s a través del sensor de deformación formado por una tira de madera, papel o plástico sobre una tira metálica, enrollados en forma espiral o helicoidal.

17.

Ejercicio: Circuito acondicionamiento sensor humedad tipo resistivo Este sensor se basa en la variación de la resistencia en función de la humedad, referencias comerciales muy comunes por ejemplo H25K5A menos preciso que el sensor capacitivo H1, pero mucho más barato.

Figura 19. Sensor de humedad H25K5A 26

Este sensor tiene un valor inversamente proporcional a la resistencia de la humedad relativa, la curva de cambio no es lineal depende de la temperatura. Aplicaciones: control de la humedad, higrómetros, humidificadores, etc. Alimentación: 1-10 V CC o 1 Vrms Frecuencia recomendada: 1 kHz 20% a 90% de humedad relativa (de 0 a 60 ° C) Rango de medida: Resistencia estándar: 31 K � a 25 ° C, 60% RH, 1 KHz Precisión: ± 5% de humedad relativa (a 25 ° C - 60% Humedad relativa) Histéresis: 3% FC máx Aunque el fabricante especifica que es posible alimentar el puente con un divisor de tensión (entre 1 Vdc y 10 Vdc), además insiste en otra alternativa en alimentar el sensor con una señal CA a frecuencia de 1 kHz y una amplitud de 1 Vrms (1 Vrms). La linealidad de la resistencia del sensor se ve afectada cuando se trabaja impedancia de CA debido a su dependiente en gran medida de la temperatura ambiente, como se muestra por los siguientes ejemplos 30% de humedad relativa a 15 ° C, su impedancia es 5100 � 30% de humedad relativa a 45 ° C, su impedancia es 900 � 60% de humedad relativa a 15 ° C, su impedancia es 51 � 60% de humedad relativa a 45 ° C, su impedancia es 14 �

Figura 20. Curvas características del sensor H25K5A

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Figura 21. Información técnica del sensor H25K5A Un circuito modelo simple, que no utiliza ningún dispositivo programable se presenta a continuación, compuesto por un generador a 1 KHz y un circuito rectificador de diodos para filtrar el resultado de la medición.

Figura 22. Circuito propuesto utilizando sensor H25K5A

18.

Ejercicio: Circuito detector de Humedad

El detector de humedad, es un dispositivo práctico que puede usarse para examinar la humedad en la tierra alrededor de la planta, y asegurarse de que tiene el agua necesaria. Para operarlo energice el circuito e introduzca los puntos de prueba (probadores cables) en la tierra alrededor de la planta. Al mismo tiempo que hace esto el LED comenzará a destellar a una frecuencia proporcional a la humedad del suelo. A más humedad más rápido el destello y viceversa. Si no hay humedad el LED no destellará. En este circuito la frecuencia de los pulsos es controlada por la resistencia entre los probadores. La resistencia entre estos, depende de la humedad que estos detectan. 28

Figura 23. Detector de Humedad

19.

Ejercicio: Circuito acondicionador sensor humedad resistivo

El circuito de la figura 25 es un circuito transductor de humedad para este experimento. Este circuito consiste en cuatro secciones: La primera sección es un oscilador que consiste de amplificadores operaciones U1 y un U2. El U1, es un oscilador de wein, genera una onda senoidal. El U2 actúa como un limitador de amplitud para limitar la onda senoidal a 250 Hz y 0.5 Vrms. La segunda sección sirve para amplificación, filtrado y rectificación. Consiste de un U3, un C3 y CR1. La magnitud de la salida negativa es proporcional a la humedad percibida. El VR3 sirve para ganar ajuste y el VRF4 para la calibración de nivel cero. La tercera sección consiste de un U4 y de los elementos de soporte. El U4 actúa como un sumador: la tasa de conversión es de 100 mV/1%RH. EL VR5 proporciona la característica de calibración para sensores diferentes. La última sección es un comparador. El VR6 se usa para configurar la humedad. La figura 22, muestra la característica de humedad del sensor C2M3

Figura 24. Sensor C2M3 y su curva característica 29

Figura 25. Circuito transductor de humedad módulo Pasos: a. Implemente y alimente con el voltaje adecuado el circuito transductor de la figura 25. b. Usando el osciloscopio, mida y registre la frecuencia [Hz] y el Vpp [V] de la señal en el punto J1. c. Usando el osciloscopio, mida y registre la frecuencia [Hz] y el Vpp [V] de la señal en el punto J7. d. Mida el voltaje de salida del U4. La lectura de voltaje debe dividirse entre 100 mV para obtener el valor de la humedad. El rango de funcionamiento del C2M3 va de 55 a 100 %RH con una tolerancia de ±3 %RH. e. Para la calibración a cero: ajuste VR4 para que el voltaje de salida de J2 sea igual a 0V. f. Para la calibración de la humedad del ambiente: conecte los conductores del sensor de humedad al J7 y al J8 y ajuste R7 para que el voltaje de J3 sea -1V, y ajuste VR5 para que el voltaje de salida de J5 sea 6V. g. Repita el paso d. h. Complete la siguiente tabla: Humedad

50% RH

55% RH

60% RH

65% RH

70% RH

75% RH

80% RH

85% RH

90% RH

95% RH

100% RH

VJ8 [Vac] VJ3 [Vdc] VJ5 [Vdc]

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i. Trace las curvas de humedad de V J3 vs Humedad, VJ5 vs Humedad. A partir de esas curvas, obtenga a través del matlab las ecuaciones que representan los respectivos modelos del sensor de humedad resistivo.

31


LABORATORIO No. 6 – Circuitos de acondicionamiento para sensores de LDR y sensores ultrasónicos INSTRUCCIONES 1- Las actividades de laboratorio y talleres deberán ser desarrollados en grupos de hasta 2 (dos) alumnos. 2- Las técnicas y herramientas didácticas que se empleen en los laboratorios tiene como finalidad el refuerzo, la conformación y ejecución de los diferentes aspectos que hacen parte de la asignatura. De forma que el alumno desarrolle un pensamiento flexible, dinámico, audaz, independiente, persistente, divergente y original en su formación como profesional.

OBJETIVOS • • •

Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores de luminosidad LDR tipo resistivo. Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores ultrasónicos Obtener las curvas de calibración con sus respectivos modelos matemáticos

REFERENCIAS • • • • • • • •

Andrew Knight Basics of MATLAB and Beyond. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 1999. White Robert: Computational Mathematics: Models, Methods, and Analysis with MATLAB and MPI. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 2003. General Eastern. (2008). Instrumentos General Eastern. www.generaleastern.com Principios de Electrónica / Malvino / Edit. Mc. Graw Hill./enero 1992 4 edición. León W Couch II / Sistemas de comunicación digitales y analógicos. / Pearson. Sistemas de Comunicaciones Electronicas. Mc Graw Hill. Tomasi. http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado_555 " http://drgdiaz.com/eco/ultrasonido/ultrasonidos/ultrasonido.shtml

A. LDR Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas (LDR) se originan de su nombre en inglés light-dependent 32

resistor .

Un fotoresistor, ver figura 26, está hecho de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Un dispositivo fotoeléctrico puede ser intrínseco o extrínseco. En dispositivos intrínsecos, los únicos electrones disponibles están en la banda de la valencia, por lo tanto el fotón debe tener bastante energía para excitar el electrón a través de toda la banda prohibida. Los dispositivos extrínsecos tienen impurezas agregadas, que tienen energía de estado a tierra más cercano a la banda de conducción puesto que los electrones no tienen que saltar lejos, los fotones más bajos de energía (es decir, de mayor longitud de onda y frecuencia más baja) son suficientes para accionar el dispositivo.

Figura 26. Sensor Fotoresistor LDR

Figura 27. Curva característica de un sensor LDR 33

20.

Ejercicio: Circuito de acondicionamiento sensor de luminosidad tipo resistivo utilizando LM555

El siguiente circuito cuenta con un arreglo compuesto por fotorresistencia dentro de un divisor de voltaje, las cuales forman parte de la configuración de un circuito monoestable con un LM555, la fotorresistencia estará enviando el disparo o pulso de salida hasta que el nivel de luz que reciba sea el suficiente para dejar de enviar el pulso.

Figura 28. Circuito de sensado utilizando 555

21. Ejercicio: Circuito de acondicionamiento sensor de luminosidad tipo resistivo utilizando transistor NPN Cuando la LDR recibe luz, disminuye su resistencia (tendrá un valor comprendido entre varios cientos de ohmios y algún KW), por lo que en el divisor de tensión formado por R1 y LDR, prácticamente toda la tensión de alimentación estará en extremos de R1 y casi nada en extremos de la LDR, en estas condiciones no le llega corriente a la base, el transistor estará en corte y el diodo no lucirá. Cuando la luz disminuye, la resistencia de la LDR aumenta (puede llegar a valer varios cientos de KW) por lo que la caída de tensión en la LDR aumenta lo suficiente para que le llegue corriente a la base del transistor, conduzca y se encienda el diodo LED.

Material necesário: R1 = 100 KW R2 = LDR R3 = 2K2 R4 = 330 W Q1 = Transistor NPN BC547 D1 = Diodo LED 34

Figura 29. Circuito para sensar luz utilizando transistor npn

B. ULTRASONICO Los sensores de ultrasonidos, ver figura 30, son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y que detectan objetos a distancias de hasta 8m. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la señal tarda en regresar. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y de diferentes materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco. Para comprender el Ultrasonido (o sonograma) se debe comprender el concepto de sonido: Sonido es la sensación producida a través del oído por una onda longitudinal originada por la vibración de un cuerpo elástico y propagada por un medio material. El Ultrasonido puede definirse como un tren de ondas mecánicas, generalmente longitudinales, originadas por la vibración de un cuerpo elástico y propagadas por un medio material y cuya frecuencia supera la del sonido audible por el género humano: 20.000 ciclos/s (20 KHz) aproximadamente.

Figura 30. Sensor ultrasónico TCT40-16 transmisor y receptor 35

Este sensor, al no necesitar el contacto físico con el objeto, ofrece la posibilidad de detectar objetos frágiles, como pintura fresca, además detecta cualquier material, independientemente del color, al mismo alcance, sin ajuste ni factor de corrección. Los sensores ultrasónicos tienen una función de aprendizaje para definir el campo de detección, con un alcance mínimo y máximo de precisión de 6 mm. El problema que presentan estos dispositivos son las zonas ciegas y el problema de las falsas alarmas. La zona ciega es la zona comprendida entre el lado sensible del detector y el alcance mínimo en el que ningún objeto puede detectarse de forma fiable

22.

Ejercicio: Circuito detector de disturbios en el espacio

El circuito de la siguiente figura es un detector de disturbios en el espacio que usa ondas ultrasónicas. El transmisor que se muestra consiste en un oscilador de 40 Khz y de un controlador. Cuando el interruptor S1 está en la posición OFF (apagado), el bajo potencial de U1a fuerza la salida a un potencial alto; una corriente de carga fluye a través de R3, VR1 y C1 de manera que el voltaje a través de C1 se va hacia alto. Este alto potencial hace que la salida de U1 se mantenga en alto. El oscilador no presenta oscilación. Cuando S1 se cambia a la posición ON (escendido) la salida de U1a cambia su estado a bajo y C1 empieza a descargar un potencial bajo. Este proceso de carga – descarga se repite. Las salidas de U1c y U1d son complementarias una de la otra de manera que la amplitud del transmisor es el doble. Para el caso del receptor. Q1 y Q2 están conectados como un amplificador de cascada para amplificar la señal recibida por el receptor ultrasónico. U2 es un seguidor de voltaje. El circuito de rectificación y filtrado, compuesto por CR1 y C3, convierte la señal AC a voltaje DC. Cuando no hay interferencia, el nivel de DC a lo largo de C3 permanece alto y la alarma es apagada por el comparador seguidor. Cuando la onda ultrasónica es interferida por una incursión, se recibe una señal débil en el receptor y DC se va a bajo de manera que la alarma no enciende.

36

Transmisor ultrasónico

Receptor ultrasónico

Figura 31. Detector de disturbios en el espacio

37

Prueba de distancia

a. Implemente adecuadamente los circuitos del trasmisor y receptor ultrasónico TCT40-16, figura 29. b. Conecte el transmisor ultrasónico entre los puntos J1 y J2, y receptor ultrasonico al J3 y J4 de su detector de disturbios. c. Alimente con el respectivo voltaje adecuado los modulo. d. Mida y registre el voltaje en J10 para cada distancia en el siguiente tabla, (Observación: Ángulo igual a cero se define que tanto el transmisor como el receptor ultrasonico están completamente linealizados entre ellos) Distancia

40 cm

38 cm

36 cm

34 cm

32 cm

30 cm

28 cm

26 cm

24 cm

22 cm

20 cm

18 cm

16 cm

14 cm

12 cm

10 cm

8 cm

6 cm

5 cm

4 cm

3 cm

2 cm

1 cm

0 cm

VJ10 [V] Distancia

VJ10 [Vdc]

e. Trace la característica de distancia vs. Voltaje usando los datos obtenidos de la tabla anterior.

Prueba de Ángulo

a. Implemente adecuadamente los circuitos del trasmisor y receptor ultrasónico TCT40-16 b. Conecte el transmisor ultrasónico entre los puntos J1 y J2, y receptor ultrasonico al J3 y J4 de su detector de disturbios. c. Alimente con el respectivo voltaje adecuado los modulo. d. Establezca la distancia en 20 cm y complete la siguiente tabla: Angulo entre el transmisor con el receptor

-90°

-75°

-60°

-45°

-30°

-15°

0°

15°

30°

45°

60°

75°

90°

VJ10 [V]

e. Trace y observe la característica de ángulo vs. Voltaje usándolos datos de la tabla anterior.

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LABORATORIO No. 7 – Circuitos de acondicionamiento F/V INSTRUCCIONES 1- Las actividades de laboratorio y talleres deberán ser desarrollados en grupos de hasta 2 (dos) alumnos. 2- Las técnicas y herramientas didácticas que se empleen en los laboratorios tiene como finalidad el refuerzo, la conformación y ejecución de los diferentes aspectos que hacen parte de la asignatura. De forma que el alumno desarrolle un pensamiento flexible, dinámico, audaz, independiente, persistente, divergente y original en su formación como profesional.

OBJETIVOS • • •

Diseñar e implementar un sistema de medición de rpm en un motor DC. Investigar el funcionamiento del LM2907 el cual es un integrado que se utiliza para convertir frecuencia a voltaje. Investigar el funcionamiento, las configuraciones de resistencias y capacitores, y circuitos externos, incluyendo fórmulas, para ajustar una señal de voltaje variable de salida, a valores deseados.

REFERENCIAS • • • • • •

Andrew Knight Basics of MATLAB and Beyond. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 1999. White Robert: Computational Mathematics: Models, Methods, and Analysis with MATLAB and MPI. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 2003. http:// www.mathworks.com E. Mandado, P. Mariño, A. Lago, Instrumentación Electrónica, Marcombo, Barcelona, 1995. Miguel Ángel Pérez et all. Instrumentación Electrónica, Thomson, 2004. J.R. Cogdell. Fundamentos de Máquina Eléctricas. Prentice Hall. 2002

A. CASO DE ESTUDIO: MEDIDA DE VELOCIDAD DE UN MOTOR 23. Ejercicio: Circuito En el diseño de un sistema que permita sensar la velocidad de un motor DC, primer paso es identificar que el motor varíe su velocidad con un Voltaje setpoint y que con un circuito de 39

acondicionamiento se presente a la salida un voltaje como respuesta también. El motor a utilizar puede ser cualquier modelo DC, la única condición es que debe instalarsele un disco ranurado ver figura 32. Las ranuras que hacen parte del sistema tipo encoder se pueden hacer con una pequeña broca, lo importante es que el sensor detecte la abertura para medir la velocidad de giro de los ejes de los motores.

Figura 32. Sistema encoder para medir la velocidad en motor DC.

Funcionamiento y manejo: El sensor dispone internamente de un diodo LED emisor de rayos infrarrojos enfrentado a un fototransistor que actúa como receptor de dichos rayos que cuando inciden sobre su base producen una corriente entre el Emisor y el Colector. Para conseguir una corriente apreciable, se coloca el emisor a unos 5 mm del receptor. Cada vez que se interpone un cuerpo entre emisor y receptor corta los rayos y el fototransistor deja de conducir. Se plantea en la figura 33, el circuito que está basado en el optointerruptor ranurado H22A1, usted puede seleccionar otro similar. Usted debe ajustar los voltajes de entrada para que el LM311 presente situaciones de saturación y no saturación debidas a la presencia de ranuras.

Figura 33. Circuito de acondicionamiento utilizando un sensor fototransistor H22A1 40

Este circuito debe entregar un tren de pulsos, el cual será convertido a una señal de voltaje continuo proporcional a la frecuencia del mismo. Lo anterior se consigue por medio del circuito integrado LM2907, el cual es un convertidor de frecuencia a voltaje. Esto, pues la señal que requerimos, debe ser continúa y no pulsante, dado que la referencia es continúa. El LM2907 es un convertidor frecuencia-voltaje fabricado por la National Semiconductor . Su aplicación es:

Entrada

Tren de pulsos

Figura 34. Circuito para implementar el integrado LM2907 Vout

= Vcc ⋅ Fin ⋅ C1 ⋅ R1

F max

=

I 2 C1 ⋅ Vcc

I 2 = 180uA para Vcc = 12 V. (Se obtiene de las curvas de operación del PDF)

Si F max = 40KHz entonces, C1

=

180uA = 375 pF = 330 pF + 33 pF 40 KHz ⋅12V

Se necesita que la característica del sensor sea:

R1

=

Vout Vcc ⋅ Fin ⋅C1

=

5V = 33K Ω 12V ⋅ 38.25KHz ⋅ 363 pF

41

R1 ⋅ C 1

≤ τ motor

Vcc ⋅ Fin ⋅ C1 R1 ⋅ C1

C2

=

≈

τ motor = 20.43ms

2ms

2ms = 60nF ≈ 68nF 33K Ω

Señor estudiante, con su diseño, obtenga la curva característica y su respectiva ecuación (modelo) de su sistema de medición Vout vs RPM

Vout

RPM

B. OTROS CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO F/V La siguiente figura se presenta otra alternativa para convertidores F/V que es el uso del integrado IC9400.

Figura 35. Conversor y diagrama funcional conversor F/V 9400. (fuente: Microchip Technology Inc.) 42

24. Ejercicio: Convertidores F/V El circuito presentado en la siguiente figura es del conversor 9400, el voltaje de salida Vout se obtiene por medio de: Vout = F in mV

El U3 y los componentes de soporte actúan como un filtro para la ondulación en la salida del FVC

Figura 36. Circuito experimental F/V. (fuente: Microchip Technology Inc.)

Prueba a seguir: a. Alimente adecuadamente con el debido voltaje el circuito de la figura 31. b. Conecte el generador de función con una señal cuadrada al punto de frequency in. Mida el Vout con un multímetro. c. Complete la siguiente tabla haciendo un barrido de frecuencia desde 0Hz hasta 5Khz. Fin

0Hz

50Hz

100Hz

200Hz

500Hz

1Khz

2Khz

3Khz

4Khz

5Khz

Vout [V]

d. Calcule la linealidad de la salida (ecuación que modela el sistema de medición)

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LABORATORIO No. 8 – Entrenamiento para el uso de la tarjeta USB DAQ 6008/6009 de NI INSTRUCCIONES 1- Las actividades de laboratorio y talleres deberán ser desarrollados en grupos de hasta 2 (dos) alumnos. 2- Las técnicas y herramientas didácticas que se empleen en los laboratorios tiene como finalidad el refuerzo, la conformación y ejecución de los diferentes aspectos que hacen parte de la asignatura. De forma que el alumno desarrolle un pensamiento flexible, dinámico, audaz, independiente, persistente, divergente y original en su formación como profesional.

OBJETIVOS •

Realizar un programa básico utilizando las entrada/salidas digitales y analógicas de la tarjeta USB 6009/6008


25.

Andrew Knight Basics of MATLAB and Beyond. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 1999. White Robert: Computational Mathematics: Models, Methods, and Analysis with MATLAB and MPI. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 2003. http:// www.mathworks.com

Ejercicio

Etapa de configuración y prueba. El “Measurement and Automation Explorer” ( MAX), es un software utilizado para configurar tus dispositivos e instrumentos, también es utilizado para probar que el dispositivo funcione correctamente. 1. Abrir el programa “Measurement and Automation Explorer” (MAX) haciendo doble clic sobre el icono del escritorio.

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2. Navega hasta el menú “My Sistems>>Devices and Interfaces>>NIDAQmx Devices”, ahí encontrarás la tarjeta “NI USB-6008 o 6009”. Selecciona la tarjeta haciendo clic derecho y elige la opción “Device Pinouts” para que puedas verificar las conexiones realizadas en la tarjeta.

Verifica que a las entrada/salida Digital 0 del Puerto 0 (P0.0) esté conectado un LED hacia GND. Es necesario un cable que una las E/S digitales P0.1 y P1.0; también debe haber una conexión entre la salida AO 0 y la AI 0. En esta ocasión utilizaremos la Entrada Analógica referenciada a tierra, pero se aconseja utilizar de modo diferencial para evitar voltajes en modo común y dañar la entrada de la tarjeta. 3. Realizaremos unas pruebas para verificar la funcionalidad de la tarjeta. En el MAX, selecciona la tarjeta haz clic sobre la opción que dice “ Test Panels…”, que se encuentra sobre la venta de descripción de la tarjeta o puedes dar clic derecho sobre la tarjeta y selecciona la opción. 4. En el Tab “Analog Input” seleciona el Canal ai0 y en la opción “Input Configuration” selecciona “RSE”, presiona el botón de Start. Después cambia al Tab “Analog Output” y cambia el valor “Output Value” a 3.5 Volts aproximadamente. Regresa al Tab de entradas analógicas y verifica que el valor se actualizó. 5. En el Tab “Digital I/O”, primero selecciona el puerto 0 (Port0), Selecciona la dirección de la línea 0 como salida; cambia la salida a estado en alto y presiona el botón de inicio (Start), verifica que el led real esté prendido. 6. Cierra todas las ventanas abiertas, la primera parte del ejercicio ha concluido. Etapa de programación. LabVIEW (LV) es un lenguaje de programación gráfico que permite realizar aplicaciones de medición, control y monitoreo, simulación, programación de sistemas embebidos, pruebas, automatización, etc. 7. Haz doble clic sobre el icono de LabVIEW en el escritorio para abrir el programa.

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8. Abre un nuevo VI (Instrumento Virtual), “File>>New VI”. 9. Presiona “Ctrl + T” para que el panel frontal (Interfaz de usuario) y el diagrama a bloques (Parte de programación) se acomoden de manera vertical en la pantalla. 10. Haz clic derecho sobre el panel frontal para que se despliegue la paleta de controles. Pega en el panel frontal una perilla (Knob) que encontraras en “Controls>>Modern>>Numeric”, es importante que ajuste la escala de 0 a 5, de doble clic sobre el número 10 y modificalo ; de igual manera un indicador para graficar forma de onda (Waveform Chart) que encontraras en “Controls>>Modern>>Graph”. Por último, inserta un indicador booleano (Round Led) desde “Controls>>Modern>>Boolean” cambia el nombre del indicador a “Entrada Digital P1.0”. Acomoda la interfaz de usuario como se muestra en la siguiente figura. 11. En el diagrama de bloques (parte derecha) será necesario poner un ciclo repetitivo para que la aplicación corra de manera continua (While Loop) es importante que lo hagas del tamaño de la ventana, este lo encuentras dando clic derecho sobre el diagrama a bloques en la ruta “Functions>>Programming>>Structures ”. 12. Posicionándote a la izquierda de la condición de paro una vez que salga la herramienta de cableo haz clic derecho y selecciona la opción “Create Control”, para crear un botón de stop para parar la aplicación.

13. En el diagrama a bloques selecciona una Asistente de Adquisición ( DAQ Assist) desde “Fuctions>>Measurement I/O>>NI-DAQmx”. Espera a que se abra la venta de configuración y selecciona “Acquire Signals>>Analog Input>>Voltage” y presiona “Next”, selecciona la entrada ai0 de la tarjeta 6008/6009 y presiona “Finish”. En la opción “Acquisition Mode” selecciona “1 Sample (On Demand)”, en la opción “Terminal Configuration” selecciona la opción “RSE” y presiona la tecla “OK”. Cablea la salida “ data” del asistente al gráfico (Waveform Chart). 14. Abre nuevamente un Asistente de Adquisición. Ahora selecciona “ Generate Signals>>Analog Output>>Voltage” y presiona “Next”, selecciona la salida ao0 de la tarjeta 6008/6009 y presiona “Finish”. En la opción “ Generation Mode” selecciona “1 Sample (On Demand)” y presiona la tecla “OK”. Cablea la perilla a la entrada “ data” del asistente. 15. Abre un Asistente de Adquisición. Ahora selecciona “ Acquire Signals>>Digital Input>>Line Input” y elige la línea “port1/line0”, después presiona la tecla “Finish” seguido de la tecla “OK”. Es necesario conectar la salida del asistente “data” a la función “Index Array” en la entrada “array” esta función se encuentra en “Functions>>Programming>>Array”, crea una constante en la entrada “Index” con el valor cero (con clic derecho create>>constant) y conecta la salida de la función “element” al indicador digital “Entrada Digital P1.0”. 46

16. Abre un Asistente de Adquisición. Ahora selecciona “ Generate Signals>>Digital Output>>Line Output” y elige la línea “port0/line0” y manteniendo presiona la tecla “ Shift” del teclado elige también la línea “port0/line1”, después presiona la tecla “Finish” seguido de la tecla “OK”. Es necesario conectar la entrada del asistente, haz clic derecho y selecciona “ Create>>Control”, en el panel frontal reduce el tamaño del arreglo a dos elementos, después con clic derecho sobre el led elija la opción “Replace>>Modern>>Boolean>>Vertical Toggl…” , aumenta el tamaño del interruptor.

NOTA: Para inicializar el arreglo, es necesario cambiar el valor del segundo interruptor .

17. Por último, en el diagrama a bloques pega la función “ Wait (ms)” y crea una constante de valor 200.

18. Guarda en el escritorio el VI (de instrumento virtual) con el nombre de “HolaMundo”, sin dejar espacios. El VI debe de quedar similar a la figura que se muestra a continuación. 19. Verifica la funcionalidad del programa. Presionando el botón “ Run” o desde el menú “Operate>>Run”. Prende el LED real, verifica que el segundo interruptor prenda el LED que representa la entrada del puerto 1 (P1.0) y mueve la perilla para que se vea el cambio en la gráfica. OPCIONAL. Publicación en Web 20. Lanza la herramienta de publicación web desde “Tools>>Web Publishing Tool…”, selecciona tu VI en la opción “VI Name” y verifica que la opción “Star Web Browsaer” está elegida; presiona la tecla “Next”. Ponle un nombre, encabezado y pie de página al documento. Presiona “Next”, “Save to Disk” y no olvides seleccionar la opción “connect”. 47

myslide.es_guia-para-laboratorios-sensores-y-acondicionadores-de-senal.pdf

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