guia para laboratorios sensores y acondicionadores de señal

IE. PhD. Francisco Ernesto Moreno Garca

Universidad Francisco de Paula Santander

Facultad de Ingeniera Departamento de Electricidad y Electrnica

I

Francisco Ernesto Moreno Garca

Grupo de Investigacin en Automatizacin y Control

GIAC

II

Normas que regulan el derecho de autor en Colombia

Cdigo civil: Art 671 Las producciones del talento o del ingenio son una propiedad de sus autores: esta especie de propiedad se regir por leyes especiales

Ley No. 23 de 1982 Sobre derechos de autor Art 1. Los autores de obras literarias, cientficas y artsticas gozarn de proteccin para sus obras en la forma prescrita por la presente ley y en cuanto fuere compatible con ella, por el derecho comn. Tambin protege esta ley a los intrpretes o ejecutantes, a los productos de fonogramas y a los organismos de radiodifusin, 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 gestin colectiva de derechos de autor y derechos conexos

III

El Profesor ensea, el alumno aprende si quiere, la vida le cobrar sus decisiones de vida

FRANCISCO ERNESTO MORENO GARCIA

IV

PROLOGO

Se entiende que el conjunto de saberes y formas de la cultura cuya asimilacin y apropiacin por parte de los alumnos se considera esencial para su desarrollo y socializacin. Es por eso, que durante su formacin y en su posterior desempeo, 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 prctica profesional le demandan.

Una orientacin disciplinar, permite profundizar terica y experimentalmente las ciencias y conocimientos aplicados a los campos especficos de la profesin. Es aqu donde este material didctico contribuye a la construccin de las competencias propias de la profesin del Ingeniero Electromecnico o Electrnico, que se relacionan con su objeto de estudio y con los desempeos esperados del profesional. De forma que se va aportando a la construccin y aprendizaje de los procedimientos, instrumentos y tcnicas empleadas para afrontar los problemas que la profesin enfrenta.

El contenido de este material, adems de estar enmarcado dentro de las reas de formacin, permite administrarse dentro de ejes de formacin, entendidos estos como conjuntos de contenidos interrelacionados, que si bien interactan con otros ejes, forman una unidad claramente diferenciable. Para nuestro caso, el estudiante es involucrado en el estudio de las caractersticas tcnicas de los sensores (temperatura, presin, flujo, nivel y otros), y funcionamiento de los acondicionadores de seal, para estar en capacidad de presentar proyectos en el rea de instrumentacin industrial a futuro.

En el laboratorio se utiliza una metodologa de tipo abierto donde el estudiante pueda contrastar los diseos desarrollados en clase con prcticas reales, comprobables, que le permitan una seguridad en cada uno de los ejercicios elaborados, y as logren alcanzar los objetivos propuestos para cada una de las ocho (8) prcticas que se realizan durante el semestre.

Este material acadmico privilegia el desarrollo de las siguientes competencias:

Valorativas:

Anlisis y conceptualizacin de los diferentes tpicos a trabajar Desarrollo de la capacidad de sntesis y aplicacin de los sistemas involucrados. Valoracin de la relacin del trabajo en grupo para enfrentar y solucionar problemas en

ingeniera.

Transversales (cognitivas, comunicativas, especficas de carrera e investigativas)

Cognitiva: Capacidad para razonar con lgica con el objetivo de analizar, deducir y sintetizar. Comunicativa: Desarrollo de trabajos ya sea a investigacin y consulta. Interdisciplinar: Estimular el trabajo con personas de diferentes disciplinas. Investigativa: Fomentar el desarrollo de la investigacin tecnolgica y/o cientfica

V

CONTENIDO

Pg.

LABORATORIO No. 1 Introduccin sistemas de medicin

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 extensiomtrica

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 ultrasnicos

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

1

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA

SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEAL

LABORATORIO No. 1 Introduccin sistemas de medicin

INSTRUCCIONES 1- Las actividades de laboratorio y talleres debern ser desarrollados en grupos de hasta 2 (dos)

alumnos. 2- Las tcnicas y herramientas didcticas que se empleen en los laboratorios tiene como finalidad el

refuerzo, la conformacin y ejecucin de los diferentes aspectos que hacen parte de la asignatura. De forma que el alumno desarrolle un pensamiento flexible, dinmico, audaz, independiente, persistente, divergente y original en su formacin 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: Verso do Estudante, Guia do Usurio, 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 fsica. Los valores medidos son presentados en la tabla 1

TABLA 1 Datos adquiridos en el Experimento

8.0014 7.9913 7.9934 8.0119 7.9910 8.0033 7.9938 7.9877 8.0115 8.0087 8.0071 8.0017 7.9994 8.0001 8.0079 8.0000 7.9925 7.9920 8.0146 8.0012 7.9838 8.3234 7.9965 8.0053 8.0150 8.0136 7.9994 7.9975 8.0049 8.0069 8.0041 8.0006 7.9929 7.9920 7.9994 7.9931 7.9889 8.0020 7.9840 8.0005 8.0094 7.9997 7.9924 7.9941 7.9996 7.9967 7.9899 8.4234 8.0100 7.9980 8.0077 7.9979 8.0150 7.9896 7.9890 8.0091 8.0076 8.0008 8.0084 7.5896 7.9946 7.9915 8.0232 7.9948 7.9765 8.0047

2

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 aritmtica, el desvi padrn (o bien conocido como desviacin estndar), la amplitud de la muestra, la kurtosis y la skewness. Graficar los datos. Es posible identificar algn error en la medicin?

b) Aplicar el criterio de Chauvenet y recalcule los parmetros estadsticos del tem (a), escribir una subrutina en Matlab para encontrar los valores que tengan desvos mayores o iguales a lo permitido y remuvalos de los datos experimentales. Graficar los datos modificados.

2. Ejercicio

En un ensayo de calibracin fueron obtenidas las medidas de la entrada (x) y de la salida (y) de un sistema de Medicin, como se presentan en la tabla 2. Ajustar una recta de regresin y calcular los desvos padrones Sb y Sm (para los coeficientes independiente y angular de la recta). Determinar el coeficiente de correlacin. Graficar los datos y la recta de regresin, y los desvos entre ellos en funcin de la entrada.

Tabla 2 Ensayo de Calibracin

x 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 y 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 clculo del coeficiente de correlacin, est definido en matlab con el comando corr2, y matemticamente se calcula como:

=

==

=

N

ii

N

ii

N

iii

xy

yyxx

yyxxr

1

2

1

2

1

)()(

))((

Para el clculo del desvi padrn (desviacin estndar) de la seal de salida, est definida matemticamente como:

22

1

1 ( )N

y ii

S y yN

=

=

Para el desvio del coeficiente angular de la Recta se define como 2

2 2 2

*

( )y

m

i i

N SS

N x x=

3

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

2 2

22 2

*

( )i y

bi i

x SS

N x x=

3. Ejercicio

Determinar la funcin de correlacin ms adecuada para representar los datos experimentales de la siguiente tabla, con cual parmetro estadstico se calificara el mejor ajuste?

t 10 20 30 40 50 100 200 500 C 1.98 2.01 1.95 1.93 1.88 1.81 1.60 1.21

Seor estudiante, investigue el toolbox cftool del matlab

4. Ejercicio

Determinar los coeficientes para una regresin lineal mltiple para los datos de la Tabla 4 y calcular el coeficiente de correlacin.

Tabla 3 Sistema de 3 entradas y una salida

y x1 x2 x3 6.8 1.0 2.0 1.0 7.8 1.5 2.0 1.5 7.9 2.0 2.0 2.0 8.0 2.5 3.0 1.5 8.3 3.0 3.0 2.0 8.4 3.5 3.0 2.0 8.5 4.0 4.0 1.0 8.6 4.5 4.0 1.5 8.9 5.0 4.0 2.0 9.1 5.5 5.0 1.0 9.3 6.0 5.0 1.5 9.6 6.5 5.0 2.0

Para este caso, la funcin tiene ms de una variable independiente como lo son x1, x2, x3. El modelo para una regresin mltiple para este caso es 3322110 xaxaxaay +++=

5. Ejercicio

Se aplica un resistor, de un lote de resistores, en un punto donde el voltaje flucta de una manera

4

estadstica. 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 seal harmnica exponencialmente decreciente: x(t) = exp(-0.252pift) sin(2pi ft), con 1024 pontos, f = 20 Hz, de modo que a resolucin en frecuencia en el espectro sea f = 1 Hz. Se pide graficar la seal en el tiempo y su espectro de frecuencias para posteriormente analizar dichos resultado.

Para desarrollar este ejercicio, partimos de una resolucin f = 1 Hz con N=1024 nmero de puntos (muestras), teniendo como frecuencia de muestreo Hzfs 1024=

Por lo tanto, el paso de la seal es segHzfst 0009765.0102411 ===

As la seal harmnica exponencialmente decreciente puede ser obtenida de la siguiente manera:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Tempo [seg]

Ampl

itude

x(t

)

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)

5

7. Ejercicio

Genere una seal: x(t)=sin(2pif1t)+sin(2pif2t)+sin(2pif3t)+sin(2pif4t) 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 seal en el tiempo. Para dicha seal x(t), generar una ventana hanning y multiplquela por la seal x(t). Obtenga la transformada de Fourier a travs de matlab.

0 100 200 300 400 500 6000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Frequencias [Hz]

Espectro sinal harmonico exponencialmente decrecente

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

6



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



refuerzo, la conformacin y ejecucin de los diferentes aspectos que hacen parte de la asignatura. De forma que el alumno desarrolle un pensamiento flexible, dinmico, audaz, independiente, persistente, divergente y original en su formacin como profesional. Se evaluar calidad en el diseo y precisin de su sistema de medicin.

OBJETIVOS

Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores de temperatura tipo RTD y AD590. Obtener las curvas de calibracin con su respectivo modelo matemtico Volts = f (Temperatura) Adems el alumno ampliar y consolidar de una manera prctica los conocimientos adquiridos

en la ms reciente clase del curso de sensores y acondicionadores de seal. Para ello se utilizar un mtodo PBL (Project based learning, aprendizaje basado en proyectos) que consistir 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


8. Ejercicio Se pide disear 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 disear deber ser implementado en protoboard utilizando ya sea un puente de wheastone o cualquier configuracin de acondicionamiento apoyndose en circuitos integrados por ejemplo LM741 o LF353 o INA125 etc. El sistema de medicin que usted va disear debe presentar un voltaje de salida de 0 a +10 Vdc proporcionales al rango de temperatura para lo cual lo utilizar.

7

Adems a partir de su diseo trace la curva de calibracin Voltaje vs. Temperatura usando los datos experimentales que ha medido. Cul es la sensibilidad de su sistema de medicin [V/C]. Ajustar a una funcin matemtica que modele su sistema. Determine la incerteza de su diseo.

9. Ejercicio El AD590 es un sensor excelente para conversiones de temperatura a corriente debida a su buena linealidad con una razn de transduccin de 1uA/K. El circuito de la siguiente figura 1 es el circuito de transduccin del AD590 con dos diferentes salidas de transduccin, la de 10mV/K en J6 y la de 100mV/C en J7. El U1 (es un LM741) acta como un seguidor de voltaje. Cuando J3 y J4 estn 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 ms conveniente que la temperatura absoluta. La relacin entre dos escalas de temperatura es K = C + 273,2 y 273,2 K = 0C. En otras palabras, si la temperatura est a 273,2 K (0C), los voltajes de salida en J8 y J6 deberan 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

Circuito de acondicionamiento

0 a +10 Vdc Sensor

24C a 70C

8

En la figura 2 se presenta un circuito bsico 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 percepcin y a la entrada de inversin V- se establece por medio de un ajuste en el VR2 una temperatura de configuracin (setpoint). Si V+ < V-, la salida de U1 ( siendo un LM741) est en Vsat, por lot tanto el transistor Q1 conduce y el LED est en ON (encendido). Cuando V+ exactamente excede V-, el comparador U1 cambia de estado, Vo=+Vsat, y el LED entra a OFF

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 deteccin de temperatura. El platino es el material que se usa ms comnmente en los RTD. Otros materiales como el cobre y el nquel son apropiados para este propsito. Las curvas de resistencia vs temperatura (R vs. T) del platino, el cobre y el nquel se muestran en la figura 3.

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

V+

V- Vo

LM741

9

Un circuito de acondicionamiento PT100 se muestra en la figura 4. ste tiene una razn de traduccin 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 travs del PT100. Esta corriente se expresa por medio de:

IC = IE = (VCR1 + VCR2 + VBE ) / (VR1 + R2)

Si VCR1 = VBE entonces

IC = VCR2 / (VR1 + R2)

En esta ecuacin la corriente constante IC puede establecerse ajustando la resistencia de VR1 El OP AMP U1 es un amplificador de no inversin con un voltaje de salida de VB = 10VA = (2550 + 10T) mV. El U2 es un amplificador diferencial. Ajustando VR2, VK1, el voltaje de salida del U3 puede establecerse 2550 mV. Como resultado, el voltaje de salida del circuito transductor es de 10(VB-VK1) = 10(2550 + 10T - 2550) mV = 100TmV, y la tasa de conversin es de 100 mV/C

En dicho circuito, con el voltaje de salida del U2 para eliminar el efecto causado por el voltaje de compensacin (2,55 mA a travs del PT100). EL voltaje zener VCR3 es aplicado al divisor de voltaje (R12, VR2 y R13) cuya salida es entonces amortiguada por el seguidor de voltaje a manera omitir la compensacin.

Figura 4. Circuito acondicionador para un PT100

10

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

Figura 5. Controlador alarma a travs de la Temperatura

11



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




OBJETIVOS

Obtener la curva caracterstica del termistor NTC y PTC Determinar las curvas S para un termistor dado, desarrollando un cdigo en MatLab donde se

aplique la ecuacin caracterstica del termistor. Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores de temperatura Obtener el respectivo modelo matemtico Volts = f (Temp)

REFERENCIAS

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 definicin ms tcnica sera: 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 parmetros. Hay varios tipos de encapsulado:

La resistencia de la mayora 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 smbolo del circuito. Un termistor NTC tpico se hace usando materiales de xido de metal semiconductor. Los semiconductores tienen la caracterstica de ofrecer la mitad de la resistencia entre

12

los conductores y los aislantes. Mientras ms se eleva la temperatura, ms portadores de carga estn disponibles y esto causa la cada 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. stos se hacen de diversos materiales y muestran un aumento de resistencia que vara con temperatura.

Cmo podramos hacer un circuito con este sensor, para su uso en una alarma de incendios? Utilizaremos un circuito que entregue una tensin alta cuando se detecten las condiciones de temperatura caliente. Necesitamos poner un divisor de tensin con un termistor NTC en la posicin que ocupa Rarriba:

Figura 7. Divisor de voltaje aplicado a un termistor para temperaturas altas

Cmo podramos hacer un circuito con un sensor para detectar temperaturas de menos de 4C para advertir a motoristas que pueda haber hielo en la carretera? Usaremos un circuito que d una tensin alta en condiciones fras. Necesitamos un divisor de voltaje con el termistor en lugar de Rbajo:

Rarriba

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Figura 8. Divisor de voltaje aplicado a un termistor para temperaturas bajas

Este ltimo ejemplo nos plantea una interesante pregunta: Cmo saber qu valor de tensin de Vout se va a conseguir con 4C? Vea el siguiente grfico de la caracterstica de un termistor:

Figura 9. Curva Resistencia vs Temperatura del termistor

En el eje Y, se representa la resistencia con una escala logartmica. sta es una manera de comprimir el grfico de modo que sea ms fcil ver cmo cambia la resistencia. Entre 100 y 1000, cada divisin horizontal corresponde a 100. Por otra parte, entre 1000 y 10000, cada divisin corresponde a 1000. Y sobre 10000, representa 10000 cada divisin.

14

Como se puede apreciar, este termistor tiene una resistencia que vara de alrededor 70 k en 0C a cerca de 1 k a 100C. Los catlogos de los suministradores, dan generalmente la resistencia a 25C, que en este caso ser 20 k. Generalmente, los catlogos tambin especifican un ' beta ' o ' B-valor '. Cuando se especifican estos dos nmeros, es posible calcular un valor aproximado para la resistencia del termistor en cualquier temperatura de la ecuacin particular:

RT = RTo e(B((1/T) - (1/T0 )))

Donde:

RT es la resistencia a temperatura T en grados Kelvin (k = C + 273) RTo es la resistencia de referencia a una temperatura To en Kelvin. Cuando la temperatura de la referencia es 25 C, T0 = 25+273. e es la base del logaritmo natural, elevada a la potencia [B((1/T) - (1/T0))] en esta ecuacin. B es el 'B-valor' especificado para este termistor.

Quizs no es necesario aplicar esta ecuacin en este momento, pero es til saber que, la informacin proporcionada en los catlogos es suficiente para permitir que podamos calcular el funcionamiento del termistor. Con MATLAB por ejemplo, es posible generar las curvas caractersticas para cualquier termistor, calculando los valores de la resistencia para una gama de temperaturas dadas.

Con RTo = 20 k y B = 4200, saltos de resistencia a partir de 0 a 10C. Segn la figura anterior, la resistencia para 4C, se puede estimar poco menos de 60 k. Mediante la ecuacin se ha calculado el valor exacto, que es 58.2 k.

Los termistores vuelven a utilizarse en lugares en los que puede que no se imagine. Se utilizan extensivamente en coches, por ejemplo en:

Inyeccin electrnica de combustible, en la cual la entada de aire, la mezcla aire/combustible y las temperaturas del agua que le enfra, se supervisan para ayudar a determinar la concentracin del combustible para la inyeccin ptima.

Controles de temperatura del aire acondicionado y de asientos en vehculos. Los indicadores de alertas, tales como temperaturas de aceite y de lquido, nivel de aceite y

turbo-cargador. Control del motor de ventilador, basado en la temperatura del agua que se enfra. Sensores de escarcha, para la medida de la temperatura exterior. Sistemas acsticos.

Los termistores se utilizan para medir las temperaturas superficiales y profundas del mar para ayudar a supervisar corrientes del ocano en el efecto EL NIO. Obviamente, los termistores se utilizan para medir flujo de aire, por ejemplo en la supervisin de la respiracin en bebs prematuros, entre otras aplicaciones.

11. Ejercicio

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

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continuado, se seca la grasa del eje y llega a pararse o se desgasta el soporte del eje, produce el tpico ruido poco antes de daarse definitivamente. Para evitar que se queme algn 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 lmite establecido por la NTC, se produce un aumento de la tensin en el pin 2, lo que produce el disparo del circuito integrado que est configurado como oscilador, generando una frecuencia audible que es amplificada por el transistor a su salida por el pin 3 y que podemos or en el altavoz, adems mediante el diodo led de la salida, nos indicar de forma visual que la temperatura est por encima de lo previsto.

12. Ejercicio Se pide simular la siguiente funcin que caracteriza el comportamiento de un termistor

0

1 1( )

1( )1 t t

f tS e

=

+

Donde = Es una constante del material que vara normalmente entre 2000K y 5000K t = Temperatura, es la variable independiente (darle valores entre 50 y 150 C, llevar a grados kelvin) t0 = 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)

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Fijar un valor arbitrario de y trazar las curvas a travs de matlab. Cabe anotar que el verdadero valor de se obtiene aplicando la siguiente frmula:

1

2

1 2

1 1

RtLnRt

t t

=

Donde Rt1 , Rt2 representan la resistencia del termistor a la temperatura t1 y t2 respectivamente. Implemente un archivo tipo mfile en MatLab, que permita obtener las curvas S que caracterizan a un termistor.

Realice cambios a la variable para ver el comportamiento de las curvas. (2000 a 5000).

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LABORATORIO No. 4 Circuitos de acondicionamiento para sensores galgas extensiometricas




OBJETIVOS

Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores de fuerza tipo galgas extensomtricas

Obtener las curvas de calibracin con su respectivo modelo matemtico

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 Electrnica / Edit. Mc. Graw Hill./enero 1992 4 edicin. KL-600 PA SENCONS TECHNICAL TRAINING. Sistema de control de percepcin de la

microcomputadora. K&H MFG CO LTD. www.kandth.com.tw CREUS A. (1998) Instrumentacin industrial, Mxico, Alfa y omega, Segunda edicin. 387 p.

A. GALGA EXTENSIOMTRICA

La galga extensiomtrica nos permite obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la seal resultante, una lectura directa de la deformacin 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 deformacin se expresa mediante psilon. Esta unidad de medida es adimensional, y expresa la relacin existente entre el incremento de longitud experimentado por el objeto y la longitud inicial. El concepto de deformacin engloba todas las variaciones sufridas por un cuerpo cuando ste ha sido sometido a una fuerza externa, bien sea compresin, traccin, torsin o flexin. La galga extensomtricas es bsicamente una resistencia elctrica. El parmetro variable y sujeto a

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medida es la resistencia de dicha galga. Esta variacin de resistencia depende de la deformacin que sufre la galga. Se parte de la hiptesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual est pegada. El sensor est constituido bsicamente por una base muy delgada no conductora, sobre la cual va adherido un hilo metlico muy fino, de forma que la mayor parte de su longitud est distribuida paralelamente a una direccin determinada En el aspecto comercial, generalmente las galgas se venden integradas en transductores completos. El fabricante nos proporciona las caractersticas completas de stos.

Figura 11. Sensor de fuerza piezo resistivo Flexiforce FSR-01 (Galga extensiometrica)

La figura 12, representa la caracterstica del sensor en trminos 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 operacin viable establecido desde los 30 gramos hasta los 10 Kilogramos.

Figura 12. Resistencia vs. Fuerza

13. Ejercicio: Divisor de voltaje FSR

Una simple conversin fuerza voltaje dado en la siguiente figura, es uno de los bsicos circuitos de acondicionamiento que pueden ser aplicados a galgas. El voltaje de salida est dado como VOUT = (V+) / [1 + RFSR/RM].

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Figura 13. Circuito divisor de voltaje FSR

En esta configuracin, el voltaje de salida aumenta proporcionalmente cuando la fuerza aumenta tambin. Si la resistencia RFSR y RM son intercambiadas, la salida deber 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 travs de la FSR debe limitarse a menos de 1 mA / cm2 de fuerza aplicada. Los amplificadores operacionales sugeridos para los diseos de suministro de una sola etapa son LM358 y LM324. Dispositivos de entrada FET como LF355 y TL082 tambin son buenos. Las bajas corrientes de polarizacin de estos amplificadores reducen el error debido a la impedancia del divisor de tensin.

Realice una familia de curvas de fuerza frente VOUT para una FSR estndar 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 est aislado de la ganancia ajustable. Con esta separacin, no existe ninguna limitacin en los valores para el potencimetro. Valores tpicos para R5 estn alrededor de los 10k.

Figura 14. Circuito divisor de voltaje FSR con buffer ajustable

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15. Ejercicio: Caso de estudio Seleccionador por peso

Como nos podemos imaginar, en la industria es necesario clasificar algn material o pieza dependiendo de algunas variables, en este caso es necesario clasificarlos por su peso, manualmente esto se hace con una bscula y una persona se encarga de pesar pieza por pieza y as definir en qu clasificacin est. 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 presin aplicada, primero necesitamos el diseo 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 necesitar de unos buffers de voltaje y despus un amplificador restador para obtener una seal variable y fcilmente manipulable. El circuito es el siguiente:

Figura 15. Circuito acondicionamiento para galga extensiometrica

Ya para el seleccionador, el usuario definir de que peso querr las clasificaciones de sus piezas entre valores que van desde 0 Kg hasta 5 Kg. Esto est ms claramente explicado en el siguiente circuito:

Figura 16. Circuito seleccionador logico por peso

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16. Ejercicio: Sistema medicin de peso tipo plato

La figura 17 muestra un circuito transductor de clula de carga que tiene una tasa de transduccin de 1mV/g. la clula de carga (galga extensiometrica) que se usa en este experimento tiene un rango de medicin de 0 a 5 Kg con una salida a escala completa de 20 mV 10%; el voltaje de alimentacin recomendado es de 5 Vdc, y la tasa de transduccin de salida de 4 mV 10% / Kg

Figura 17. Circuito transductor de una clula de carga

En la figura 17, los U1, U2 y U3 (son amplificadores operaciones (OPA)) se combinan para formar un amplificador de instrumentacin 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 clula de carga tiene una salida de voltaje relativamente pequea de 20 mV, las desviaciones causadas por los voltajes de compensacin del OPA debilitarn seriamente la exactitud de la clula de carga. Por lo tanto, OPAs con voltajes de compensacin extra bajos, son los recomendados. En condiciones de peso nulo, el voltaje de salida de la clula de carga no es cero, y la tasa de transduccin de salida no est exactamente en los 4 mV/Kg. Lo anterior puede ser mejorado proporcionando un voltaje de compensacin a la entrada del amplificador instrumental, y esto ltimo puede ser mejorado ajustando el VR1 para que incremente las ganancias de voltaje.

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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 inversin 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 transduccin puede ser obtenida en condiciones de peso nulo.

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

Peso [g]

50 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2000 3000 4000 5000

J4-J7 [V]

e. Conecte el J4 al J5 y el J7 al J8 f. En condiciones de peso nulo, ajuste el potencimetro VR2 y mida el voltaje de salida en el

punto J9 referenciado a tierra de forma que se tenga VJ9 = 0 V g. Coloque un peso de 1 Kg en la celula de carga y ajuste el VR1 para VJ9 = 1 V, este paso

establece la tasa de transduccin en 1 V/Kg. h. Mida y registre el voltaje de salida del J9 para cada peso en la siguiente tabla:

Peso [g]

50 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2000 3000 4000 5000

J9 [V]

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 transduccin dada en V/Kg o

mV/g

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




OBJETIVOS

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

REFERENCIAS


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 Gua MetAs. (2001). Humedad Relativa, Glosario. Diciembre del 2001. MetAs, S.A. de

C.V. Cd. Guzmn, Jalisco, Mxico. 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. MEDICIN DE HUMEDAD Podra decirse que la humedad juega un rol en todos los procesos industriales. El solo hecho de que

la atmsfera contiene humedad hace que, por lo menos, se estudie su efecto en el almacenamiento y operacin de los distintos productos y dispositivos. El alcance que la influencia de la humedad podra tener en cualquier proceso industrial puede variar pero es esencial que al menos sea monitoreada, y en muchos casos controlada.

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La medicin de la humedad es un proceso verdaderamente analtico en el cual el sensor debe estar en contacto directo con el proceso a medir, esto tiene, por supuesto, implicancias en la contaminacin y degradacin del sensor en niveles variables dependiendo de la naturaleza del ambiente.

Existen muchas tcnicas diferentes para la medicin de humedad. El tema es algo complicado por la confusin en la variedad y diferentes formas de expresar las mediciones. En la prctica la humedad es una cantidad difcil de medir, y la incertidumbre es mayor que en otras reas de medicin como la masa, temperatura, presin, 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 medicin de la cantidad de vapor de agua en el aire. El aire de la atmsfera se considera normalmente como una mezcla de dos componentes: aire seco y agua. El agua es la nica sustancia de la atmsfera que puede condensar (pasar de vapor a lquido) o evaporarse (pasar de lquido a vapor) a condiciones ambientales: este hecho justifica la divisin del aire atmosfrico es aire seco y agua, y adems provocan una gran cantidad de fenmenos meteorolgicos como la lluvia, el roco y las nubes. Adems de todo esto, el estudio del agua en el aire atmosfrico es esencial para la sensacin de bienestar.

El aire tiene una capacidad limitada para absorber vapor de agua. Esta capacidad depende principalmente de la temperatura, se podra decir que entre ms caliente este el aire ms vapor de agua puede contener. Cuando el aire est a cierta temperatura y su capacidad de absorcin de vapor de agua est al lmite, entonces se dice que el aire esta Saturado. La humedad relativa del aire expresa cuan saturado esta de vapor de agua.

En los ltimos aos, el aumento en los requerimientos de mediciones ms precisas y confiables con respecto a los niveles de humedad que intervienen en los procesos industriales y cientficos a llevado al diseo de nuevas tcnicas para la generacin y medicin de humedad, siendo esta una de las reas ms confusas y complicadas por la cantidad de trminos y definiciones que describen la humedad. As como la dificultad que se genera en la medicin de humedad por la dependencia de factores variables como la presin y la temperatura.

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Cmo se mide la humedad?

Las molculas de agua cambian la longitud de materiales orgnicos, la conductividad y peso de materiales higroscpicos y absorbentes qumicos, y en general la impedancia de casi cualquier material. Estos cambios son utilizados por los mtodos o principios de medicin de los instrumentos para la medicin de humedad. As, 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 evaporacin de una superficie de agua con una corriente de gas (psicrometra) y el enfriamiento de una muestra de gas hasta que la condensaciones detectada.

No existe una tecnologa de medicin apropiada para todas las aplicaciones. Algunas de las tecnologas tpicamente usadas son: psicometra, desplazamiento, resistivos, capacitivos y por absorcin de lquido. Veamos a continuacin las ms usadas.

Sensores por Deformacin

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 ms afectados son algunas fibras orgnicas y sintticas, como por ejemplo el cabello humano o de animales como el caballo, aunque en la actualidad solo se usan fibras sintticas. Al aumentar la humedad relativa, las fibras aumentan de tamao, es decir, se alargan. Luego esta deformacin debe ser amplificada de alguna manera (por palancas mecnicas, o circuitos electrnicos), y debe ser graduada de acuerdo a la proporcionalidad con la humedad relativa.

La incertidumbre de medicin de este tipo de sensores es mnimo de 3%, y su ventaja radica principalmente en que es fcil de reproducir, sin embargo, es poco robusto y no es de gran utilidad en aplicaciones industriales debido a la acumulacin de polvo en las fibras lo que crea contaminacin y por consecuencia una mala medicin, su uso va dirigido a laboratorios donde se necesite llevar un registro de las condiciones ambientales diarias.

Su rango de operacin de humedad relativa est entre 15% y 95%, a temperatura ambiente entre los 20 y 70 C. Uno de los requisitos para lograr una medicin ms confiable, es que el aire circule a una velocidad de 3 m/s.

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Sensores mecnicos (por absorcin o deformacin)

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 ms afectados son algunas fibras orgnicas como por ejemplo el cabello humano, pelo de animal, madera y papel; as como fibras sintticas como el nylon. Al aumentar la humedad relativa, las fibras aumentan de tamao, es decir, se alargan. Luego esta deformacin debe ser amplificada de alguna manera (por palancas mecnicas, o circuitos electrnicos), y debe ser graduada de acuerdo a la proporcionalidad con la humedad relativa.

Figura 18. Sensor fibra sensible

El error de medicin de este tipo de sensores se especifica de 3 %HR, y su ventaja radica principalmente en que es fcil de reproducir, sin embargo, es poco robusto y no es de gran utilidad en aplicaciones industriales. Su intervalo de operacin es de humedades relativas entre 15...95 %HR, a temperatura ambiente entre los -20+70 C. Uno de los requisitos para lograr una medicin ms confiable, es que el aire circule a una velocidad de 3 m/s a travs del sensor de deformacin formado por una tira de madera, papel o plstico sobre una tira metlica, enrollados en forma espiral o helicoidal.

17. Ejercicio: Circuito acondicionamiento sensor humedad tipo resistivo Este sensor se basa en la variacin de la resistencia en funcin de la humedad, referencias

comerciales muy comunes por ejemplo H25K5A menos preciso que el sensor capacitivo H1, pero mucho ms barato.

Figura 19. Sensor de humedad H25K5A

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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, higrmetros, humidificadores, etc. Alimentacin: 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 estndar: 31 K a 25 C, 60% RH, 1 KHz Precisin: 5% de humedad relativa (a 25 C - 60% Humedad relativa) Histresis: 3% FC mx

Aunque el fabricante especifica que es posible alimentar el puente con un divisor de tensin (entre 1 Vdc y 10 Vdc), adems insiste en otra alternativa en alimentar el sensor con una seal 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 caractersticas del sensor H25K5A

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Figura 21. Informacin tcnica del sensor H25K5A

Un circuito modelo simple, que no utiliza ningn dispositivo programable se presenta a continuacin, compuesto por un generador a 1 KHz y un circuito rectificador de diodos para filtrar el resultado de la medicin.

Figura 22. Circuito propuesto utilizando sensor H25K5A

18. Ejercicio: Circuito detector de Humedad

El detector de humedad, es un dispositivo prctico 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 comenzar a destellar a una frecuencia proporcional a la humedad del suelo. A ms humedad ms rpido el destello y viceversa. Si no hay humedad el LED no destellar. 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.

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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 seccin 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 acta como un limitador de amplitud para limitar la onda senoidal a 250 Hz y 0.5 Vrms.

La segunda seccin sirve para amplificacin, filtrado y rectificacin. 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 calibracin de nivel cero. La tercera seccin consiste de un U4 y de los elementos de soporte. El U4 acta como un sumador: la tasa de conversin es de 100 mV/1%RH. EL VR5 proporciona la caracterstica de calibracin para sensores diferentes. La ltima seccin es un comparador. El VR6 se usa para configurar la humedad. La figura 22, muestra la caracterstica de humedad del sensor C2M3

Figura 24. Sensor C2M3 y su curva caracterstica

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Figura 25. Circuito transductor de humedad mdulo 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 seal en el punto

J1. c. Usando el osciloscopio, mida y registre la frecuencia [Hz] y el Vpp [V] de la seal 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 calibracin a cero: ajuste VR4 para que el voltaje de salida de J2 sea igual a 0V. f. Para la calibracin 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 VJ3 vs Humedad, VJ5 vs Humedad. A partir de esas curvas, obtenga a travs del matlab las ecuaciones que representan los respectivos modelos del sensor de humedad resistivo.

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LABORATORIO No. 6 Circuitos de acondicionamiento para sensores de LDR y sensores ultrasnicos




OBJETIVOS

Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores de luminosidad LDR tipo resistivo. Construir los circuitos de acondicionamiento para sensores ultrasnicos Obtener las curvas de calibracin con sus respectivos modelos matemticos

REFERENCIAS


MATLAB and MPI. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 2003. General Eastern. (2008). Instrumentos General Eastern. www.generaleastern.com Principios de Electrnica / Malvino / Edit. Mc. Graw Hill./enero 1992 4 edicin. Len W Couch II / Sistemas de comunicacin digitales y analgicos. / 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 electrnico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede tambin ser llamado fotorresistor, fotoconductor, clula fotoelctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas (LDR) se originan de su nombre en ingls light-dependent

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resistor. Un fotoresistor, ver figura 26, est 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 energa para saltar la banda de conduccin. El electrn libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Un dispositivo fotoelctrico puede ser intrnseco o extrnseco. En dispositivos intrnsecos, los nicos electrones disponibles estn en la banda de la valencia, por lo tanto el fotn debe tener bastante energa para excitar el electrn a travs de toda la banda prohibida. Los dispositivos extrnsecos tienen impurezas agregadas, que tienen energa de estado a tierra ms cercano a la banda de conduccin puesto que los electrones no tienen que saltar lejos, los fotones ms bajos de energa (es decir, de mayor longitud de onda y frecuencia ms baja) son suficientes para accionar el dispositivo.

Figura 26. Sensor Fotoresistor LDR

Figura 27. Curva caracterstica de un sensor LDR

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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 configuracin de un circuito monoestable con un LM555, la fotorresistencia estar 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 (tendr un valor comprendido entre varios cientos de ohmios y algn KW), por lo que en el divisor de tensin formado por R1 y LDR, prcticamente toda la tensin de alimentacin estar en extremos de R1 y casi nada en extremos de la LDR, en estas condiciones no le llega corriente a la base, el transistor estar en corte y el diodo no lucir. Cuando la luz disminuye, la resistencia de la LDR aumenta (puede llegar a valer varios cientos de KW) por lo que la cada de tensin en la LDR aumenta lo suficiente para que le llegue corriente a la base del transistor, conduzca y se encienda el diodo LED.

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

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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 mecnicos y que detectan objetos a distancias de hasta 8m. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la seal tarda en regresar. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en seales elctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoracin. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y de diferentes materiales. Los materiales pueden ser slidos, lquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan segn el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisin y el impulso del eco.

Para comprender el Ultrasonido (o sonograma) se debe comprender el concepto de sonido: Sonido es la sensacin producida a travs del odo por una onda longitudinal originada por la vibracin de un cuerpo elstico y propagada por un medio material.

El Ultrasonido puede definirse como un tren de ondas mecnicas, generalmente longitudinales, originadas por la vibracin de un cuerpo elstico y propagadas por un medio material y cuya frecuencia supera la del sonido audible por el gnero humano: 20.000 ciclos/s (20 KHz) aproximadamente.

Figura 30. Sensor ultrasnico TCT40-16 transmisor y receptor

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Este sensor, al no necesitar el contacto fsico con el objeto, ofrece la posibilidad de detectar objetos frgiles, como pintura fresca, adems detecta cualquier material, independientemente del color, al mismo alcance, sin ajuste ni factor de correccin. Los sensores ultrasnicos tienen una funcin de aprendizaje para definir el campo de deteccin, con un alcance mnimo y mximo de precisin 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 mnimo en el que ningn 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 ultrasnicas. El transmisor que se muestra consiste en un oscilador de 40 Khz y de un controlador. Cuando el interruptor S1 est en la posicin OFF (apagado), el bajo potencial de U1a fuerza la salida a un potencial alto; una corriente de carga fluye a travs de R3, VR1 y C1 de manera que el voltaje a travs de C1 se va hacia alto. Este alto potencial hace que la salida de U1 se mantenga en alto. El oscilador no presenta oscilacin.

Cuando S1 se cambia a la posicin 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 estn conectados como un amplificador de cascada para amplificar la seal recibida por el receptor ultrasnico. U2 es un seguidor de voltaje. El circuito de rectificacin y filtrado, compuesto por CR1 y C3, convierte la seal 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 ultrasnica es interferida por una incursin, se recibe una seal dbil en el receptor y DC se va a bajo de manera que la alarma no enciende.

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Transmisor ultrasnico

Receptor ultrasnico

Figura 31. Detector de disturbios en el espacio

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Prueba de distancia

a. Implemente adecuadamente los circuitos del trasmisor y receptor ultrasnico TCT40-16, figura 29.

b. Conecte el transmisor ultrasnico 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, (Observacin: ngulo

igual a cero se define que tanto el transmisor como el receptor ultrasonico estn 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

VJ10 [V]

Distancia 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 [Vdc]

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

Prueba de ngulo

a. Implemente adecuadamente los circuitos del trasmisor y receptor ultrasnico TCT40-16 b. Conecte el transmisor ultrasnico 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 caracterstica de ngulo vs. Voltaje usndolos datos de la tabla anterior.

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LABORATORIO No. 7 Circuitos de acondicionamiento F/V




OBJETIVOS

Disear e implementar un sistema de medicin 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 frmulas, para ajustar una seal de voltaje variable de salida, a valores deseados.

REFERENCIAS


MATLAB and MPI. Chapman and Hall/CRC; 1 edition, 2003. http://www.mathworks.com E. Mandado, P. Mario, A. Lago, Instrumentacin Electrnica, Marcombo, Barcelona, 1995. Miguel ngel Prez et all. Instrumentacin Electrnica, Thomson, 2004. J.R. Cogdell. Fundamentos de Mquina Elctricas. Prentice Hall. 2002

A. CASO DE ESTUDIO: MEDIDA DE VELOCIDAD DE UN MOTOR

23. Ejercicio: Circuito

En el diseo de un sistema que permita sensar la velocidad de un motor DC, primer paso es identificar que el motor vare su velocidad con un Voltaje setpoint y que con un circuito de

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acondicionamiento se presente a la salida un voltaje como respuesta tambin. El motor a utilizar puede ser cualquier modelo DC, la nica condicin es que debe instalarsele un

disco ranurado ver figura 32. Las ranuras que hacen parte del sistema tipo encoder se pueden hacer con una pequea 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 acta 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 est 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 saturacin y no saturacin debidas a la presencia de ranuras.

Figura 33. Circuito de acondicionamiento utilizando un sensor fototransistor H22A1

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Este circuito debe entregar un tren de pulsos, el cual ser convertido a una seal 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 seal que requerimos, debe ser contina y no pulsante, dado que la referencia es contina.

El LM2907 es un convertidor frecuencia-voltaje fabricado por la National Semiconductor. Su aplicacin es:

Figura 34. Circuito para implementar el integrado LM2907

1 1inVout Vcc F C R=

2max

1

IFC Vcc

=

I2 = 180uA para Vcc = 12 V. (Se obtiene de las curvas de operacin del PDF)

Si Fmax = 40KHz entonces,

1180 375 330 33

40 12uAC pF pF pF

KHz V= = = +

Se necesita que la caracterstica del sensor sea:

11

5 3312 38.25 363in

Vout VR KVcc F C V KHz pF

= = =

Entrada Tren de pulsos

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1 1

1motor

in

R CVcc F C

20.43motor ms =

1 1 2R C ms

22 60 68

33msC nF nFK

= =

Seor estudiante, con su diseo, obtenga la curva caracterstica y su respectiva ecuacin (modelo) de su sistema de medicin Vout vs 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.)

Vout

RPM

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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 = Fin mV

El U3 y los componentes de soporte actan como un filtro para la ondulacin 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 funcin con una seal cuadrada al punto de frequency in. Mida el Vout

con un multmetro. 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 (ecuacin que modela el sistema de medicin)

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




OBJETIVOS

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

REFERENCIAS



25. Ejercicio

Etapa de configuracin y prueba. El Measurement and Automation Explorer (MAX), es un software utilizado para configurar tus dispositivos e instrumentos, tambin 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 men My Sistems>>Devices and Interfaces>>NIDAQmx Devices, ah encontrars la tarjeta NI USB-6008 o 6009. Selecciona la tarjeta haciendo clic derecho y elige la opcin 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) est conectado un LED hacia GND. Es necesario un cable que una las E/S digitales P0.1 y P1.0; tambin debe haber una conexin entre la salida AO 0 y la AI 0. En esta ocasin utilizaremos la Entrada Analgica referenciada a tierra, pero se aconseja utilizar de modo diferencial para evitar voltajes en modo comn y daar 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 opcin que dice Test Panels, que se encuentra sobre la venta de descripcin de la tarjeta o puedes dar clic derecho sobre la tarjeta y selecciona la opcin.

4. En el Tab Analog Input seleciona el Canal ai0 y en la opcin Input Configuration selecciona RSE, presiona el botn de Start. Despus cambia al Tab Analog Output y cambia el valor Output Value a 3.5 Volts aproximadamente. Regresa al Tab de entradas analgicas y verifica que el valor se actualiz.

5. En el Tab Digital I/O, primero selecciona el puerto 0 (Port0), Selecciona la direccin de la lnea 0 como salida; cambia la salida a estado en alto y presiona el botn de inicio (Start), verifica que el led real est prendido.

6. Cierra todas las ventanas abiertas, la primera parte del ejercicio ha concluido.

Etapa de programacin. LabVIEW (LV) es un lenguaje de programacin grfico que permite realizar aplicaciones de medicin, control y monitoreo, simulacin, programacin de sistemas embebidos, pruebas, automatizacin, 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 programacin) 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 nmero 10 y modificalo; de igual manera un indicador para graficar forma de onda (Waveform Chart) que encontraras en Controls>>Modern>>Graph. Por ltimo, 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) ser necesario poner un ciclo repetitivo para que la aplicacin corra de manera continua (While Loop) es importante que lo hagas del tamao de la ventana, este lo encuentras dando clic derecho sobre el diagrama a bloques en la ruta Functions>>Programming>>Structures.

12. Posicionndote a la izquierda de la condicin de paro una vez que salga la herramienta de cableo haz clic derecho y selecciona la opcin Create Control, para crear un botn de stop para parar la aplicacin.

13. En el diagrama a bloques selecciona una Asistente de Adquisicin (DAQ Assist) desde Fuctions>>Measurement I/O>>NI-DAQmx. Espera a que se abra la venta de configuracin y selecciona Acquire Signals>>Analog Input>>Voltage y presiona Next, selecciona la entrada ai0 de la tarjeta 6008/6009 y presiona Finish. En la opcin Acquisition Mode selecciona 1 Sample (On Demand), en la opcin Terminal Configuration selecciona la opcin RSE y presiona la tecla OK. Cablea la salida data del asistente al grfico (Waveform Chart).

14. Abre nuevamente un Asistente de Adquisicin. Ahora selecciona Generate Signals>>Analog Output>>Voltage y presiona Next, selecciona la salida ao0 de la tarjeta 6008/6009 y presiona Finish. En la opcin 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 Adquisicin. Ahora selecciona Acquire Signals>>Digital Input>>Line Input y elige la lnea port1/line0, despus presiona la tecla Finish seguido de la tecla OK. Es necesario conectar la salida del asistente data a la funcin Index Array en la entrada array esta funcin 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 funcin element al indicador digital Entrada Digital P1.0.

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16. Abre un Asistente de Adquisicin. Ahora selecciona Generate Signals>>Digital Output>>Line Output y elige la lnea port0/line0 y manteniendo presiona la tecla Shift del teclado elige tambin la lnea port0/line1, despus 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 tamao del arreglo a dos elementos, despus con clic derecho sobre el led elija la opcin Replace>>Modern>>Boolean>>Vertical Toggl , aumenta el tamao del interruptor.

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

17. Por ltimo, en el diagrama a bloques pega la funcin 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 continuacin.

19. Verifica la funcionalidad del programa. Presionando el botn Run o desde el men 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 grfica.

OPCIONAL. Publicacin en Web

20. Lanza la herramienta de publicacin web desde Tools>>Web Publishing Tool, selecciona tu VI en la opcin VI Name y verifica que la opcin Star Web Browsaer est elegida; presiona la tecla Next. Ponle un nombre, encabezado y pie de pgina al documento. Presiona Next, Save to Disk y no olvides seleccionar la opcin connect.

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21. Sobre el panel frontal en internet explorer da clic derecho y elige la opcin Request Control of VI. Verifica la funcionalidad del programa.

guia para laboratorios sensores y acondicionadores de señal

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