i introducción, sensores, adc, dac y actuadores

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 Profesor: M en I Serafín Castañeda Cedeño. [email protected]  cdm.unam.mx cdmit----personal CDMIT, Responsable del Laboratorio de proyectos en Mecatrónica.

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Page 1: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Profesor

M en I Serafiacuten Castantildeeda Cedentildeo sera_castanedayahoocommx

cdmunammx

cdmit----personal

CDMIT Responsable del Laboratorio de proyectos en Mecatroacutenica

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Ofrecer al alumno un panorama amplio delas disciplinas de la ingenieriacutea necesarias ysus interacciones para lograr el desarrollode productos de innovacioacuten y desarrollo

tecnoloacutegico a traveacutes de la integracioacuten en undisentildeo mecatroacutenico basado en lasmetodologiacuteas y herramientas devanguardia para la solucioacuten de problemas

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1 Introduccioacuten al disentildeo mecatroacutenico

2 Disentildeo mecaacutenico

3 Disentildeo electroacutenico

4 Control5 Proyecto integral

Horario de asesoriacutea (10 VECES AL SEMESTRE)

Ma y Ju 1330 1530 hrs Lunes y Viernes teoriacutea

Mieacutercoles Laboratorio

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CROSS Nigel

Engineer ing Design Method s

2nd edition

John Wiley amp Sons 1997

FRENCH Vierck

Dib u jo de Ing en ieriacutea

Meacutexico

Mc Graw-Hill 1981

AYALA Aacutelvaro

Normas de dibujo Laboratorio deIngenieriacutea Mecaacutenica Asistido por

Computadora

MeacutexicoFacultad de IngenieriacuteaUNAM 2003

ALCIATORE David

Introduction to Mechatronics andMeasurement System 3th edition

McGraw-Hill 2007

ERONINI-UMEZ-ERONINIDinaacutemica de Sistemas y ControlThomson 2001

NECSULESCU DanMechatronicsPrentice Hall 2002

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Praacutecticas (8-10) 3 ptsPrototipo

i Funcionamiento 50

ii Presentacioacuten 25

iiiDocumentacioacuten 25

Planos o informesi Presentacioacuten (limpieza organizacioacuten distribucioacuten etc) 50

ii Documentacioacuten (informacioacuten de valor) 50

Proyectos (2 proyectos) (2 y 3 ) pts Exaacutemenes (2) 2 pts

Todos los trabajos deberaacuten se entregados en hojas tamantildeo carta

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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen

validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)

Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos

sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se

programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten

realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema

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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de

componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales

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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil

Video Video

PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION

Quiero que sealdquoespectacularrdquo

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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea

mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el

contexto del proyecto en general

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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil

Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull

DAQ

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 2: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Ofrecer al alumno un panorama amplio delas disciplinas de la ingenieriacutea necesarias ysus interacciones para lograr el desarrollode productos de innovacioacuten y desarrollo

tecnoloacutegico a traveacutes de la integracioacuten en undisentildeo mecatroacutenico basado en lasmetodologiacuteas y herramientas devanguardia para la solucioacuten de problemas

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1 Introduccioacuten al disentildeo mecatroacutenico

2 Disentildeo mecaacutenico

3 Disentildeo electroacutenico

4 Control5 Proyecto integral

Horario de asesoriacutea (10 VECES AL SEMESTRE)

Ma y Ju 1330 1530 hrs Lunes y Viernes teoriacutea

Mieacutercoles Laboratorio

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CROSS Nigel

Engineer ing Design Method s

2nd edition

John Wiley amp Sons 1997

FRENCH Vierck

Dib u jo de Ing en ieriacutea

Meacutexico

Mc Graw-Hill 1981

AYALA Aacutelvaro

Normas de dibujo Laboratorio deIngenieriacutea Mecaacutenica Asistido por

Computadora

MeacutexicoFacultad de IngenieriacuteaUNAM 2003

ALCIATORE David

Introduction to Mechatronics andMeasurement System 3th edition

McGraw-Hill 2007

ERONINI-UMEZ-ERONINIDinaacutemica de Sistemas y ControlThomson 2001

NECSULESCU DanMechatronicsPrentice Hall 2002

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Praacutecticas (8-10) 3 ptsPrototipo

i Funcionamiento 50

ii Presentacioacuten 25

iiiDocumentacioacuten 25

Planos o informesi Presentacioacuten (limpieza organizacioacuten distribucioacuten etc) 50

ii Documentacioacuten (informacioacuten de valor) 50

Proyectos (2 proyectos) (2 y 3 ) pts Exaacutemenes (2) 2 pts

Todos los trabajos deberaacuten se entregados en hojas tamantildeo carta

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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen

validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)

Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos

sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se

programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten

realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema

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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de

componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales

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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil

Video Video

PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION

Quiero que sealdquoespectacularrdquo

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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea

mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el

contexto del proyecto en general

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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil

Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull

DAQ

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 3: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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1 Introduccioacuten al disentildeo mecatroacutenico

2 Disentildeo mecaacutenico

3 Disentildeo electroacutenico

4 Control5 Proyecto integral

Horario de asesoriacutea (10 VECES AL SEMESTRE)

Ma y Ju 1330 1530 hrs Lunes y Viernes teoriacutea

Mieacutercoles Laboratorio

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CROSS Nigel

Engineer ing Design Method s

2nd edition

John Wiley amp Sons 1997

FRENCH Vierck

Dib u jo de Ing en ieriacutea

Meacutexico

Mc Graw-Hill 1981

AYALA Aacutelvaro

Normas de dibujo Laboratorio deIngenieriacutea Mecaacutenica Asistido por

Computadora

MeacutexicoFacultad de IngenieriacuteaUNAM 2003

ALCIATORE David

Introduction to Mechatronics andMeasurement System 3th edition

McGraw-Hill 2007

ERONINI-UMEZ-ERONINIDinaacutemica de Sistemas y ControlThomson 2001

NECSULESCU DanMechatronicsPrentice Hall 2002

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Praacutecticas (8-10) 3 ptsPrototipo

i Funcionamiento 50

ii Presentacioacuten 25

iiiDocumentacioacuten 25

Planos o informesi Presentacioacuten (limpieza organizacioacuten distribucioacuten etc) 50

ii Documentacioacuten (informacioacuten de valor) 50

Proyectos (2 proyectos) (2 y 3 ) pts Exaacutemenes (2) 2 pts

Todos los trabajos deberaacuten se entregados en hojas tamantildeo carta

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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen

validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)

Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos

sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se

programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten

realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema

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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de

componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales

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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil

Video Video

PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION

Quiero que sealdquoespectacularrdquo

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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea

mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el

contexto del proyecto en general

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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil

Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull

DAQ

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 4: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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CROSS Nigel

Engineer ing Design Method s

2nd edition

John Wiley amp Sons 1997

FRENCH Vierck

Dib u jo de Ing en ieriacutea

Meacutexico

Mc Graw-Hill 1981

AYALA Aacutelvaro

Normas de dibujo Laboratorio deIngenieriacutea Mecaacutenica Asistido por

Computadora

MeacutexicoFacultad de IngenieriacuteaUNAM 2003

ALCIATORE David

Introduction to Mechatronics andMeasurement System 3th edition

McGraw-Hill 2007

ERONINI-UMEZ-ERONINIDinaacutemica de Sistemas y ControlThomson 2001

NECSULESCU DanMechatronicsPrentice Hall 2002

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Praacutecticas (8-10) 3 ptsPrototipo

i Funcionamiento 50

ii Presentacioacuten 25

iiiDocumentacioacuten 25

Planos o informesi Presentacioacuten (limpieza organizacioacuten distribucioacuten etc) 50

ii Documentacioacuten (informacioacuten de valor) 50

Proyectos (2 proyectos) (2 y 3 ) pts Exaacutemenes (2) 2 pts

Todos los trabajos deberaacuten se entregados en hojas tamantildeo carta

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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen

validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)

Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos

sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se

programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten

realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema

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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de

componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales

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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil

Video Video

PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION

Quiero que sealdquoespectacularrdquo

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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea

mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el

contexto del proyecto en general

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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil

Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull

DAQ

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 5: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Praacutecticas (8-10) 3 ptsPrototipo

i Funcionamiento 50

ii Presentacioacuten 25

iiiDocumentacioacuten 25

Planos o informesi Presentacioacuten (limpieza organizacioacuten distribucioacuten etc) 50

ii Documentacioacuten (informacioacuten de valor) 50

Proyectos (2 proyectos) (2 y 3 ) pts Exaacutemenes (2) 2 pts

Todos los trabajos deberaacuten se entregados en hojas tamantildeo carta

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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen

validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)

Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos

sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se

programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten

realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema

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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de

componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales

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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil

Video Video

PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION

Quiero que sealdquoespectacularrdquo

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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea

mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el

contexto del proyecto en general

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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil

Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull

DAQ

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 6: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen

validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)

Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos

sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se

programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten

realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema

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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de

componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales

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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil

Video Video

PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION

Quiero que sealdquoespectacularrdquo

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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea

mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el

contexto del proyecto en general

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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil

Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull

DAQ

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 7: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de

componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales

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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil

Video Video

PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION

Quiero que sealdquoespectacularrdquo

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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea

mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el

contexto del proyecto en general

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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil

Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull

DAQ

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 8: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil

Video Video

PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION

Quiero que sealdquoespectacularrdquo

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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea

mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el

contexto del proyecto en general

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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil

Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull

DAQ

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 9: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea

mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el

contexto del proyecto en general

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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil

Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull

DAQ

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 10: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil

Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull

DAQ

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 11: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 12: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering

with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo

Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del

disentildeo en ingenieriacutea

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 13: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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CONTROL ELECTRONICA

MECAacuteNICA SOFTWARE

PRODUCTOMECATRONICO

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 14: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 15: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 16: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 17: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 18: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 19: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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ActuadoresAcondicionador

de sentildeal deentrada

Sensores

ControlAcondicionador

de sentildeal desalida

Interfaz

Sistema mecaacutenico

Modelo

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 20: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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DISENtildeO

No requiere dehabilidades especiales

No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten

Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible

Disentildeo=experiencia +creatividad

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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FabricacioacutenDisentildeo

Industriaelectroacutenica

Antildeos Minutoshoras

La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones

materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo

Tiempo

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 22: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Hay que entender los requerimientos del clientehellip

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 23: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva

ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y

salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos

Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten

en el disentildeo metas vagas y recursos limitados

METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 24: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano

Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas

Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm

Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia

La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 25: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta

Las caracteriacutesticas de losproblemas mal

definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede

contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la

solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 26: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto

No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo

La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 27: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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La persona que busca la certidumbre de

problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 28: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Lo simple es maacutes hermoso

La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir

mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es

enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda

componentes estaacutendares

disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar

corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del

producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para

malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea

robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 29: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin

embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo

ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es

probarlordquo

Richard Stevens Disentildeador Industrial

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 30: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que

puede procesar el sistema

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 31: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos

1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc

2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de

oxiacutegeno etc

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 32: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable

Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y

funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas

Mediciones Medio Ambientales Para

detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para

monitorear y evitar condiciones de peligro

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 33: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 34: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Tarea No1 Sensores

Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes

Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos

Nota 10 variables como miacutenimo

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 35: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal

vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 36: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 37: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea

2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido

3 Identificar los posibles sensores tomando

en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 38: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 39: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor

Rango = Ymax - l ndashYmin l

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 40: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide

Error = valor medido ndash valor real

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 41: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces

el sensor es exacto

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 42: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida

de rango total

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 43: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida

cuando la entrada alsensor es cero

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 44: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se

expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como

DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada

IN fs es la maacutexima entrada a escala completa

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 45: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Los transductorespueden producirdistintas salidas de

la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un

incremento oreduccioacuten continuo

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 46: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias

veces el mismo valor de entrada

Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 49: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a

conectar en serie o en paralelo a dichocircuito

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 50: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529

El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 51: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 52: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 53: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Ponderacioacuten -2-10+1+2

-2 el peor +2 el mejor

ObjetivoImportancia

(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Sensibilidad + 50 9 2 1 1

Rango + 60 11 -1 2 1

Error - 70 13 0 -1 2

Presicioacuten + 65 12 0 0 -1

Exactitud + 50 9 -1 2 -2

Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1

Offset - 10 2 -2 1 -1

Linealidad - 75 14 0 1 2

Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2

Costo - 80 14 0 -2 -1

TOTALES 555 100 -030 110 050

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 54: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales

2-3-1-01-3-2-0

Video

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 57: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 58: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Criteriosdeseleccioacuten

Acondicionadorde sentildeal

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 59: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de

sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental

Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes

Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra

el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida

Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales

Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz

Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en

la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje

Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un

desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 62: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador

el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 63: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten

GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε

El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero

Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado

Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente

iquest Y despueacutesdel puente

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 65: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Los sensores pueden ser clasificados en

Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para

poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)

Sensores excitados exteriormente Son

sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 66: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo

pero en la praacutectica existen soluciones para

controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Para analizar como reducir el ruido y con queacute

teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor

Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el

acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento

mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal

Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido

puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 68: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en

el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 79110

Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 110110

Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 69: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 69110

Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y

trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 71110

Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 73110

Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 74110

Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 75110

ADC y DAC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 76110

La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 77110

Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 78110

Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 81110

Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 82110

La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 83110

7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 84110

Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 85110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 87110

Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 89110

Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 94110

iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 100110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 102110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 104110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 106110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir

como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de

proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 72110

Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 73110

Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 74110

Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 77110

Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 78110

Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 79110

Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 83110

7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 102110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 103110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 104110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 105110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 106110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 110110

Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 71: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el

ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 73110

Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 74110

Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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ADC y DAC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 76110

La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 77110

Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 78110

Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 79110

Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 81110

Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 83110

7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 89110

Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 95110

Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software

Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se

eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo

etc

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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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ADC y DAC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 103110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 104110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 105110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 106110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 107110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 108110

Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 109110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 110110

Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 73: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 73110

Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de

un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts

La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC

Para disminuir la temperatura utilizar un

ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 75110

ADC y DAC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 76110

La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 77110

Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 79110

Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 81110

Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la

terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados

Diagrama detallado del circuito utilizado

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ADC y DAC

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 79110

Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 75: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 75110

ADC y DAC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 76110

La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 77110

Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 78110

Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 79110

Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 80110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 81110

Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 82110

La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 83110

7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 84110

Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 89110

Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 99110

TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 100110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 102110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 103110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 104110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 105110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 106110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 107110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 108110

Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 109110

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc

Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes

SISTEMA DE CONTROL

DIGITAL DACADC

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 77110

Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 79110

Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 82110

La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 89110

Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados

1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal

digitalizada

Tiempo

VoltajeSentildealanaloacutegica

Sentildeal digitalizada

Punto muestreado

iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 78110

Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 79110

Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 80110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 81110

Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 83110

7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 86110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 87110

Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 100110

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httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 102110

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 78: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax

Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia

Nyquits

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 89110

Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 83110

7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 89110

Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 103110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 104110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 105110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 106110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 107110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 108110

Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 109110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 110110

Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 80: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 80110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 81110

Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 82110

La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 83110

7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 84110

Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 88110

Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 89110

Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 91110

Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 92110

Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 100110

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 108110

Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Los siguientes componentes deben

seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica

Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador

sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 82110

La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten

La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una

entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos

La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de

salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 89110

Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 106110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 108110

Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 83: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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7 111

6 110

5 101

4 100

3 0112 010

1 001

0 000

estadode salida

coacutedigode salida

0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10

RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO

RESOLUCIOacuteN

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Unidad de control

Registro deaproximaciones

sucesivas

Latch

DA

SampH c om

p ar a

d or

endstart

Salidadigital

Entradaanaloacutegica

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

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3 er

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 102110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 103110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 104110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 105110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 106110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 107110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 108110

Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 109110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 110110

Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 86: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 86110

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 87110

Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 89110

Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 91110

Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 93110

Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 95110

Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura

Circuitocomparador dela praacutectica 1

Sensor deTemperatura

Ctocontador

DAC

Arriba

Abajo

Foco

Convertidor DAC

Ventilador

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada

Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y

el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a

fondo de escala con respecto al valor ideal

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 89110

Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB

No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset

No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal

Tiempo de establecimiento

Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura

Deriva por envejecimiento

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 109110

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 90: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 91: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Diagrama funcional delactuador

SistemaMecatroacutenico

Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 92: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Se usan en gran

cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr

con diferentesconfiguracioneseleacutectricas

Imaacuten permanente

Devanado Shunt

Devanado en serie

Devanado

compuesto

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 95110

Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 93: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Tm=KtIm

Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque

Vm=Ka m

Vm voltaje en el motor

m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor

Catalogo Motores Pittman

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 94: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido

=(Tmotor-Tcarga)J

iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo

TonToff

iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad

iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor

iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso

iquestCosto

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 95: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)

Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos

Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 96: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 104110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 105110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 97: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Vm oacute

Im oacute T

2do

1er

3 er

4to

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 104110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 105110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 98: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Acondicionadores de salida

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 103110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 104110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 105110

Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 106110

Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 108110

Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 99: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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TBJ FET

IGBTInsulated Gate

Bipolar Transistor

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 100: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 104: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con fuente dual

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Amplificadores operacionales para amplificar

corriente con una sola fuente

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

Page 105: I Introducción, Sensores, ADC, DAC y Actuadores

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Amplificadores operacionales

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Amplificadores operacionales para amplificar

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Amplificadores operacionales para amplificar

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Amplificadores operacionales para amplificar

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Amplificadores operacionales para amplificar

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)

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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)