Diseño y Construccion de Un Sensor Optico

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

SECCIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN SENSOR DE NIVEL UTILIZANDO FIBRAS PTICAS

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERA ELECTRNICA

OPCIN: INSTRUMENTACIN

PRESENTA:

FREDDY LPEZ VILLAFUERTE

DIRECTOR DE TESIS

Dr. Walter Humberto Fonseca Araujo

MXICO, D.F. DICIEMBRE 2002

DEDICATORIAS

A mis padres Luis Lpez Moreno y Evelia Lpez Villafuerte a quienes amo mucho. Les dedico este trabajo por las multiples atenciones y sacrificios que realizaron para que lograra culminar mis estudios y por haberme guiado en el camino del bien. A mis hermanos Tania y Luis con los que comparto mi vivir y me han apoyado en los momentos difciles con comprensin y cario.

AGRADECIMIENTOS

Agradezco todas las atenciones recibidas, la paciencia y tolerancia del director de esta Tesis, el Dr. Walter Humberto Fonseca Araujo. Gracias por su amistad y su confianza, le reitero mi admiracin y profundo respeto. Al Dr. Argeo Vzquez Martnez quien sin su apoyo no hubiera sido posible la culminacin de este trabajo. Gracias por tu amistad y por el tiempo invertido. A mis profesores de la maestra y comisin revisora: Dr. Jos Manuel de la Rosa Vzquez Dr. Roberto Linares y Miranda Dr. Alexandre Michtchenko M. en C. Jos Hctor Caltenco Franca M. en C. Ral Pea Rivero M. en C. Artemio Ramrez Antonio Gracias por su tiempo, consejos y enseanzas. A mis compaeros de maestra que enriquecieron mi vida: Miguel ngel Rodrguez Zuno Onofre Alonso Lrraga Tirso Javier Salazar Sandoval Gracias por su amistad y apoyo.

ABSTRACT

ABSTRACT

This Work presents the design and construction of a level sensor with optical fibers. This level sensor is classified as a transmissive, extrinsic and digitally intensity-modulated sensor, it uses the floating force and binary code metallic plate to measure in litres the level of a fluid in a liquid container. The sensor described in this work measures the level of the fluids independently from the physical and/or chemical characteristics of the fluid such as viscosity, density, transparency, etc. The fiber optics light signal is processed by the COP8SGR microcontroller. This electronic device interprets the signal received and it shows the level of the fluid on a Liquid Crystal Display AND491. According to the digital nature and the features of the optical fibers, the sensor can operate in environments with high levels of electromagnetic interference. This is why it is useful for any industrial application.

IX

RESUMEN

RESUMEN En este trabajo se expone el diseo y la construccin de un sensor de nivel de lquidos con fibras pticas. Este sensor de nivel es de tipo transmisivo, extrnseco y de amplitud modulada digitalmente; utiliza el principio de flotacin para determinar el nivel de un lquido en un contenedor. Este sensor puede realizar mediciones independientemente de las caractersticas fsicas o qumicas del fluido en el contenedor, tales como la viscosidad, densidad, transparencia, etc. El procesamiento de la seal lumnica entregada por las fibras pticas se realiza con el microcontrolador COP8SGR, el cual interpreta la seal recibida y muestra el nivel del liquido del contenedor por medio del exhibidor de cristal lquido AND491. Debido a la naturaleza digital del sensor y a la utilizacin de las fibras pticas, es posible que ste opere en ambientes donde existe una alta interferencia electromagntica, lo que lo hace atractivo para muchas aplicaciones industriales.

X

Glosario de trminos

GLOSARIO DE TRMINOS

VI

Glosario de trminos

GLOSARIO DE TRMINOS

Arquitectura Harvard Modificada:

Construccin lgica interna del microcontrolador COP8 en donde la memoria de programa y la memoria de datos tienen su propio bus de datos y direcciones respectivamente.

Calibracin:

El proceso de ajuste en la respuesta de un instrumento sobre un intervalo lineal de operacin.

Cdigo binario:

Representacin discreta de dgitos binarios (discretizacin con los dgitos uno y cero).

Densidad:

Masa por unidad de volumen de una sustancia(Kg/m3).

Exactitud:

Relacin entre el valor ms cercano de una lectura en un dispositivo de medicin y el valor real de la cantidad medida. Usualmente expresada en el por ciento de la escala completa de salida o de lectura.

Extrnseco:

Que viene de afuera, que se realiza de forma externa.

Interferencia:

Cualquier energa indeseada que dificulta la recepcin de una seal deseada, esta puede ser originada por fenmenos naturales o artificiales.

VII

Glosario de trminos

Intervalo de operacin:

Esta definido por los limites mximo y mnimo que puede tomar el instrumento, bajo condiciones controladas.

Linealidad:

La linealidad del instrumento se define como el intervalo sobre el cual la variable tiene un comportamiento repetitivo y donde el efecto es proporcional a la causa.

Modulacin:

Cambio de amplitud o de frecuencia de una seal portadora.

Rgimen turbulento:

Cuando en un fluido las fuerzas de inercia son mucho ms significativas que las fuerzas viscosas.

Ruido:

Cualquier perturbacin que atena o interfiere a la seal deseada.

Sensibilidad:

Cualidad de un instrumento o dispositivo para mostrar su rapidez de respuesta (en el tiempo y/o magnitud) a un estimulo especfico.

Sistema digital:

Circuitos electrnicos en los cuales la informacin es transmitida en forma de trenes de pulsos (informacin discreta).

Viscosidad:

La resistencia inherente de una sustancia a fluir.

Lux: Unidad de iluminacin en el sistema

internacional, 1 lm/m2.

VIII

Glosario de trminos

9

Indice

SENSOR DE NIVEL DE LQUIDOS UTILIZANDO FIBRAS PTICAS

Contenido: ndice....................................................................................................I ndice de figuras................... .............................................................III ndice de tablas..................................................................................IV ndice de fotografas............................................................................V ndice de programas en ensamblador.................................................V Glosario..............................................................................................VI Abstract...............................................................................................IX Resumen.............................................................................................X Justificacin y objetivo........................................................................XI Introduccin.......................................................................................XII Antecedentes....................................................................................XIII Capitulo 1. Sistemas de medicin de nivel 1 1.1 Introduccin. 2 1.2 Caractersticas de las fibras pticas en los sensores. 2 1.3 Sensores de nivel con fibras pticas. 3 1.3.1 Concepto transmisivo. 4 1.3.2 Concepto reflectivo. 4 1.3.3 Clasificacin. 5 1.4 Sensores de nivel transmisivo. 6 1.4.1 Nivel de lquidos bicolor. 6 1.4.2 Sensor de nivel por obstruccin. 7 1.5 Sensor de nivel por fuerza de flotacin. 8 1.5.1 Sensor de pistn desplazable 8 1.5.2 Sensor de nivel lector de tarjeta. 9 1.6 Sensores de nivel por presin. 9 1.7 Sensor de superficie reflejante. 10 1.8 Sensor de nivel por cambios de ndice de refraccin. 11

I

Indice

Capitulo 2. Medicin de nivel por lectura de cdigo 13 2.1 Caractersticas generales del sensor. 14 2.2 Principio de operacin . 15

2.3 Condiciones para realizar la medicin de nivel bajo el principio seleccionado. 18

Capitulo 3. Diseo y construccin del sensor

de nivel 21 3.1 Introduccin. 22 3.2 Elemento sensor. 22 3.3 Sistema hidrulico. 24 3.4 Sistema ptico del sensor. 26 3.4.1 Fibra ptica. 27 3.4.2 Caracterizacin de las fibras pticas de vidrio. 29 3.4.3 Fuente ptica. 32 3.4.4 Receptor ptico. 37 Capitulo 4. Procesamiento de la seal elctrica e interfase perifrica 47 4.1 Introduccin. 48 4.2 Procesador de seal. 48 4.3 Perifrico de salida. 51 4.4 Interfase perifrica. 51 4.5 Programacin del microcontrolador COP8SGR7 52 Capitulo 5. Caracterizacin del sistema y anlisis de prdidas 55 5.1 Introduccin. 56 5.2 Sistema general de medicin. 56 5.3 Elementos principales que conforman al sistema. 57 5.4 Evaluacin del sistema. 58 5.4.1 Desalineacin lateral. 60 5.4.2 Desalineacin angular. 61

II

Indice

5.4.3 Separacin entre terminales. 63 5.4.4 Terminales mal pulidas. 69 5.5 Tolerancia en la lectura del nivel. 69 5.6 Calibracin en el sistema de medicin. 70 Conclusiones. 71 Recomendaciones y sugerencias 72 Bibliografa. 73 Anexo A Diagramas del sistema 76 Anexo B Especificaciones elctricas de dispositivos electrnicos 79 Anexo C Programas en lenguaje ensamblador COP8SGR7 99 Anexo D Fotografas del sistema 113

ndice de figuras

1.1 Configuracin de sensor reflectivo 5 1.2 Nivel de lquido bicolor 6 1.3 Bosquejo de un sensor de nivel por obstruccin 7 1.4 Interruptor de nivel de lquidos 8 1.5 Sensor de nivel de lquidos con fibra ptica (digital) 9 1.6 Sensor de nivel de lquidos con transductor de presin 10 1.7 Medicin de nivel de lquido por superficie reflejante 11 1.8 Sensor de nivel de lquidos con cambio de ndice refraccin (Refracciomtricos) 12 2.1 Bosquejo del cdigo binario en la placa perforada 16 3.1 Bosquejo de la placa ranurada y acanalada 24 3.2 Sistema hidrulico 25 3.3 Elementos generales de un sistema de medicin ptico 26 3.4 Partes que integran a una fibra ptica 27 3.5 Cono de aceptacin de la fibra ptica dependiente de la apertura numrica 29 3.6 Medicin de la apertura numrica de la fibra ptica 30

III

Indice

3.7 Fuente ptica con LED emisor de 850 nm 34 3.8 Circuito para caracterizar a los diodos del emisor 35 3.9 Diagrama del circuito elctrico del receptor ptico 39 3.10 Curvas caractersticas Corriente vs. Voltaje y lnea de carga 40 3.11 Circuito equivalente del fotodiodo PIN 41 3.12 Curvas caractersticas capacitancia CJ vs. Voltaje inverso 42 3.13 Curvas caractersticas Corriente obscuridad vs. Voltaje Inverso 43 3.14 Circuito equivalente del diodo PIN y una etapa de amplificacin con sus respectivas fuentes de ruido 43 4.1 Diagrama del circuito integrado COP8SGR7 48 4.2 Diagrama elctrico de la interfase perifrica 52 4.3 Diagrama de flujo del programa principal 53 5.1 Diagrama a bloques del sistema general de medicin 56 5.2 Prdidas de potencia ptica 59 5.3 Desalineamiento entre dos fibras pticas del mismo radio 60 5.4 Desalineamiento angular entre dos fibras pticas 62 5.5 Separacin existente entre dos fibras pticas 63 5.6 Eficiencia de acoplamiento 64 5.7 Anlisis del ngulo incidente de un haz de luz 66 5.8 Fuente ptica de potencia variable 68 5.9 Bosquejo del cdigo binario en la placa perforada 70

ndice de tablas

Tabla 3.1 Mediciones de la NA para la fibra ptica de 100/140 31 Tabla 3.2 Mediciones de la NA para la fibra ptica de 50/125 31 Tabla 3.3 Mediciones de corriente de LED vs Voltaje de referencia 35 Tabla 3.4 Mediciones de la potencia ptica de LED vs corriente del LED 36 Tabla 5.1 Prdidas por desalineamiento lateral 61 Tabla 5.2 Prdidas por desalineamiento angular 63 Tabla 5.3 Medicin de las prdidas en decibeles en la discontinuidad del sistema 66

IV

Indice

ndice de fotografas

Fotografa 1 Sistema completo del sensor de nivel con fibras pticas 114 Fotografa 2 Vista en planta del receptor ptico y del exhibidor AND491 115 Fotografa 3 Vista en planta del contenedor con el sensor de nivel 116 Fotografa 4 Circuito electrnico del emisor ptico 117 Fotografa 5 Circuito electrnico de la interfase y el receptor ptico 118 Fotografa 6 Detalle de la placa perforada con el cdigo binario 119

ndice de programas en ensamblador

Programa principal del sensor de nivel 100 Programa de la macro display para controlar el exhibidor de cristal lquido 109

V

Justificacin y Objetivo

JUSTIFICACIN

El diseo y construccin de un sensor de nivel donde se emplean los sistemas pticos en conjunto con la electrnica programable da origen a un sistema robusto y prctico para una amplia variedad de aplicaciones en la industria, en donde se puede llevar a cabo el control de la variable independientemente de las caractersticas fsicas y qumicas de las sustancias que se manejen. Este sensor presenta ventajas en ambientes agresivos y contaminados, tales como los altos ndices de interferencia electromagntica y de radiofrecuencia, siendo el sensor inmune a estos ambientes que dificultan la medicin que con sistemas elctricos convencionales, no sera posible implementar.

OBJETIVO Diseo y desarrollo de un sensor de nivel utilizando fibras pticas bajo el principio de flotacin y lectura de una tarjeta perforada. En el trabajo se contemplan las siguientes metas:

a) Anlisis de los mtodos de medicin de nivel con fibras pticas existentes.

b) Seleccin del sistema de medicin.

c) Seleccin de materiales para la construccin del sensor.

d) Diseo y construccin del sistema opto-mecnico.

e) Diseo y construccin del sistema opto-electrnico.

f) Procesamiento de las seales entregadas por el sensor.

g) Pruebas finales.

XI

INTRODUCCIN

INTRODUCCIN

Todos los sistemas de medicin electrnicos consisten de tres partes: una entrada derivada de un sensor, un dispositivo electrnico que realiza el procesamiento de la seal de entrada, probablemente en paralelo con las entradas de otras fuentes, y finalmente un dispositivo de salida, tpicamente un actuador.

Quiz uno de los retos de la tecnologa de los sensores es la

conversin de energa de un tipo a otro para medir un determinado parmetro que representa un fenmeno fsico o qumico por medio de un transductor; lo cual alude a un arte multidisciplinario, ya que en los sensores estn incluidas varias ramas de la ciencia como la electrnica, la ingeniera mecnica, qumica, fsica, etc.

La funcin esencial de un sensor es detectar una variacin de energa para procesarla y transformarla a un valor correspondiente en otra forma de energa, empleando en este proceso un transductor. Por ejemplo, los cambios en la presin acstica producen cambios en la corriente elctrica de un micrfono, cambios en la temperatura produce cambios en el voltaje elctrico de un termopar, y los cambios en las caractersticas espaciales de una escena representan cambios en la corriente elctrica de una cmara de televisin.

En este trabajo se presenta un sensor de nivel, que muestra en

un exhibidor, el nivel de un lquido cualquiera, que se encuentre en un contenedor determinado, por lo que la variable del nivel del lquido en el contenedor ser transformado a informacin visual en el exhibidor.

El nivel de lquidos es una de las etapas primarias de control de

procesos, especialmente en la industria petroqumica y qumica. La naturaleza explosiva de muchos de los procesos hacen a los sensores con fibras pticas una buena opcin para estas aplicaciones.

XII

ANTECEDENTES

ANTECEDENTES

Debido a que la medicin del nivel de lquidos es un parmetro importante para el control de procesos, en la industria, se han implementado diferentes instrumentos para la medicin de esta variable.

Utilizando principios mecnicos, elctricos o la combinacin de

estos se han desarrollado sensores que monitorean el nivel de ciertos lquidos contenidos en un recipiente. Las condiciones en las que se encuentren estos lquidos y las caractersticas fsicas y/o qumicas del mismo, determinaran que elemento sensor es apropiado para la medicin de esta variable.

En este trabajo se presenta el desarrollo de un instrumento para

medir el nivel de un lquido en un contenedor, independientemente de las caractersticas fisico-qumicas del mismo.

Se construir un sensor ptico que permita la medicin del nivel

del lquido en el contenedor, as como el receptor y emisor ptico del sistema.

Se implementar en el sistema un procesador (microcontrolador)

que permita visualizar el estado actual del nivel del lquido en el contenedor as como el hardware respectivo para el correcto funcionamiento del mismo.

Se realizarn las pruebas finales del sistema y se caracterizar

al sistema en general.

XIII

Capitulo 1 Sistemas de medicin de nivel

CAPTULO 1

SISTEMAS DE MEDICIN DE NIVEL

1


1.1 INTRODUCCIN

La medicin del nivel de un lquido es una parte integral de los parmetros de un proceso de control, que se usa en una amplia variedad de industrias.

La utilizacin de las fibras pticas ha revolucionado el campo de

los sensores y representan un avance para la medicin de distintas variables utilizadas en un proceso, as como en muchas reas de la instrumentacin han marcado un claro adelanto tecnolgico como principio para la medicin del nivel tal como a continuacin se expone.

1.2 CARACTERSTICAS DE LAS FIBRAS PTICAS EN LOS SENSORES

Los sensores con fibras pticas son esencialmente un medio

donde la luz es guiada dentro de una fibra ptica y puede ser modificada debido a una influencia fsica, qumica, biolgica, etc.

La luz de una fuente ptica con intensidad constante se

introduce en una fibra ptica por medio de un acoplador y es guiada hasta un punto donde la medicin se lleva a cabo.

En este punto la luz puede salir de la fibra y ser modulada en

alguna zona fuera de ella antes de ser nuevamente introducida en la misma fibra o alguna otra diferente (estos sensores son llamados sensores extrnsecos) o la luz puede continuar dentro de la fibra y ser modulada dentro de la misma (sensores intrnsecos) o una combinacin de las anteriores (sensores evanescentes) [5].

Los sensores con fibras pticas representan un recurso

tecnolgico que se aplica en una gran variedad de instrumentos. Algunas de las caractersticas que hacen atractiva la utilizacin de las fibras pticas como sensores son las siguientes:

Carcter no-elctrico. Principio de operacin no explosivo.

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A menudo no requiere contacto directo con la variable a medir.

Capacidad de operacin remota. Dimensiones pequeas y de poco peso. Opera en reas de acceso difcil. Instalacin potencialmente sencilla. Inmune a interferencias de radio frecuencias (RFI) y a la

interferencia electromagntica (EMI). Alta precisin en las mediciones. Capacidad de acoplamiento con sistemas de comunicacin de

datos. Transmisin de datos segura. Potencialmente resistente a la radiacin ionizante. Reduccin de costos de proteccin contra ruido. Menor mantenimiento. Reduccin de los costos de instalacin y reparacin.

1.3 SENSORES DE NIVEL CON FIBRAS PTICAS

Todos los sensores de fibras pticas pueden detectar la variable fsica por medio de la modulacin de intensidad ptica o por la modulacin de la fase del haz de luz. Los sensores de nivel regularmente operan con intensidad modulada.

Los sensores de intensidad modulada estn asociados

generalmente con el desplazamiento o alguna otra perturbacin fsica que interacta con la fibra o un transductor mecnico aunado a la fibra. La perturbacin causa un cambio en la intensidad de la luz recibida, la cual es funcin del fenmeno que se est midiendo.

Los conceptos generales asociados con la modulacin de

intensidad incluyen al concepto transmisivo y reflectivo, sin embargo, se usan otros mecanismos independiente de o en conjunto con los dos conceptos anteriores, tales como: la absorcin, los cambios de densidad, fluorescencia, polarizacin y rejillas pticas.

Los sensores de intensidad modulada son analgicos por naturaleza pero tienen un uso importante en aplicaciones digitales para interruptores y contadores.

3


1.3.1 CONCEPTO TRANSMISIVO El concepto de sensor transmisivo normalmente se asocia con la interrupcin de un rayo de luz. Por ejemplo si se quiere sensar el desplazamiento axial entre dos fibras pticas se observar que el acoplamiento de luz sigue la ley de 1/r2 donde r es la distancia entre las sondas.

Otro sensor transmisivo ms sensible es el de desplazamiento radial donde el sensor no transmite si las sondas se desplazan una distancia igual un dimetro de la sonda, aproximadamente el primer 20% del desplazamiento da una respuesta lineal en la luz acoplada. 1.3.2 CONCEPTO REFLECTIVO

El concepto reflectivo es atractivo para mucho sensores debido a su precisin, simplicidad y su bajo costo. El sensor est compuesto de dos fibras pticas (ya sean de ncleos mltiples o de un solo ncleo), por una de ellas se transmite luz a una tarjeta reflejante, mientras la otra atrapar la luz reflejada y la transmitir al detector, la intensidad de la luz detectada depende de la distancia a la que se encuentre la tarjeta reflejante.

Al graficar la intensidad de la luz reflejada contra la distancia a la

que se encuentra la superficie reflejante muestra que las pendientes iniciales de la curva permiten tener una precisin potencial de millonsimas de pulgada. La precisin tambin depende del tipo de sonda que se utilice, ya sea hemisfrica, coaxial, de par de ncleos o sencilla. Para aplicaciones que requieren de un intervalo dinmico ms grande, generalmente se utiliza un sistema de lentes, que expanden el intervalo de medicin, desde 5.08 mm (0.2 pulgadas) hasta 13cm (5pulgadas) o ms.

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Figura 1.1 Configuracin de sensor reflectivo.

1.3.3 CLASIFICACIN

Los sensores de nivel pueden dividirse en dos categoras[5]: Sensores de nivel puntual:

Este tipo de sensores se utilizan para marcar un nivel discreto previamente establecido, regularmente funcionan como interruptores de nivel alto y/o nivel bajo; se emplean como alarmas para la condicin de sobreflujo o para marcar el estado de nivel bajo o vaco. Sensores de nivel continuo:

Este tipo de sensores proveen un monitoreo completo del nivel del sistema, ya que como su nombre lo indica mide el nivel del fluido en un intervalo determinado. Con ellos se pueden detectar fugas o medir la magnitud actual del nivel del lquido en cuestin.

Los sensores de nivel continuo tienen una salida analgica que

correlaciona directamente el nivel de esta seal con el fluido del contenedor.

En este trabajo se expone un medidor de nivel discreto, ya que

solamente mide niveles discretizados de fluido en el contenedor.

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1.4 SENSORES DE NIVEL TRANSMISIVO

1.4.1 NIVEL DE LQUIDOS BICOLOR

Las calderas generalmente usan cristales de dos colores para detectar el nivel del agua. Se coloca un prisma de tal forma que si en el compartimento se encuentra vapor, se observa una luz roja; pero si el compartimiento se encuentra lleno de agua, la luz roja se refracta y solo la luz verde se transmite.

La interfase entre las fibras y el compartimiento de color debe de estar aislada de la luz ambiental para evitar interferencias del medio externo. Este tipo de sensor es pasivo, sin sistemas mecnicos en movimiento u otros componentes elctricos (mas que el iluminador ).

Figura 1.2 Nivel de lquido bicolor.

Regularmente estos sensores se encuentran a un lado de la

caldera, pero si se deseara monitorear el proceso se tendra que equipar con fibras pticas de apertura numrica grande y de ncleos de fibra ptica grandes.

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1.4.2 SENSOR DE NIVEL POR OBSTRUCCIN

Otro sistema transmisivo con fibras pticas es como el que se muestra en la figura 1.3, en ella se puede apreciar que con el lquido del contenedor, la luz se ve interrumpida en su trayectoria hacia la fibra receptora, de tal forma que al obstruirse el haz, se tiene la informacin del nivel en el tanque.

El nmero de fibras pticas utilizadas es igual al nmero de

niveles discretos que se requieran en el contenedor; cabe aclarar que este tipo de sensor necesita protecciones para la fibra ptica en la discontinuidad para que no se encuentren en contacto directo con el lquido. Una desventaja de este tipo de sensores es que no puede detectar lquidos que sean transparentes a la longitud de onda de luz empleada.

Figura 1.3 Bosquejo de un sensor de nivel por obstruccin.

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1.5 SENSOR DE NIVEL POR FUERZA DE FLOTACIN Este tipo de sensores detectan el nivel de lquidos empleando flotadores, por medio de ellos y aprovechando la fuerza de flotacin es posible seguir el nivel del lquido. 1.5.1 SENSOR DE PISTN DESPLAZABLE Este tipo de sensor utiliza un mbolo que es impulsado por un flotador para detectar un nivel alto o bajo en el tanque, tal como lo muestra la figura 1.4.

Se puede apreciar que el sensor puede ser de tipo transmisivo o reflectivo dependiendo si el sensor, por medio del pistn, interrumpe el haz de luz o lo refleja.

Figura 1.4 Interruptor de nivel de lquidos.

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1.5.2 SENSOR DE NIVEL LECTOR DE TARJETA

Este sensor de nivel utiliza una tarjeta que contiene un cdigo binario (el cdigo puede estar impreso con superficies reflejantes o perforado en la misma placa), por lo que con el uso de n fibras se pueden determinar valores discretos de nivel de lquido.

Figura 1.5 Sensor de nivel de lquidos con fibra ptica (digital).

1.6 SENSORES DE NIVEL POR PRESION (CABEZA HIDROSTTICA)

El nivel de lquidos puede determinarse midiendo la presin ejercida sobre una membrana debido al peso de la columna de lquido que sta ejerce sobre de ella.

La medicin se complica cuando por ejemplo se tiene un tanque presurizado, ya que el sistema requiere de dos sensores de presin, uno que mida la presin de la presurizacin y otro ms que mida la

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presin ejercida por una columna de agua; la diferencia de estas presiones corresponde al nivel de lquidos.

El inconveniente es que este mtodo al tener pequeos errores

en la medicin de presin se tendrn errores grandes en el nivel de lquidos.

Figura 1.6 Sensor de nivel de lquidos con transductor de presin.

1.7 SENSOR DE SUPERFICIE REFLEJANTE.

Las tcnicas de superficie reflejante usan la reflexin de la luz en la superficie de un determinado lquido, en donde existe una fibra transmisora y varias fibras receptoras.

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Figura 1.7 Medicin de nivel de lquido por superficie reflejante.

Para un intervalo dinmico muy grande (resolucin del nivel del lquido) puede parecer muy costoso pero es atractivo para sustancias corrosivas o lquidos a alta temperatura donde el contacto no es posible.

1.8 SENSORES DE NIVEL POR CAMBIOS DE NDICE DE REFRACCIN

Los sensores de nivel con cambios en el ndice de refraccin funcionan al transmitir un haz de luz en un prisma, tpicamente un cuarzo (ndice de refraccin de 1.46).

Cuando el prisma se encuentra en el aire se tiene una reflexin interna total, pero en presencia de un lquido circundante cuyo ndice de refraccin sea mayor que el del prisma, la luz no se refleja totalmente hacia el interior del prisma ya que el cambio de ndice de

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refraccin a su alrededor, har que parte de la luz se refracte en el lquido. Estos sensores son ideales para monitorear nivel alto o bajo, o para detectar fugas en un sistema.

Figura 1.8 Sensor de nivel de lquidos con cambio de ndice de refraccin (Refractomtricos).

Algunos sensores con fibras pticas presentados en este capitulo dependen de las cualidades fsicas y/o qumicas del lquido que se desee medir ( como el ndice de refraccin del lquido, viscosidad, transparencia, corrosividad, etc.), otros ms dependen de las condiciones en que se encuentre el lquido o el contenedor (como la presin interna del tanque, que el lquido se en cuentre en un regimen no turbulento, etc.). El principio elegido para medir el nivel de un lquido fue el de lector de tarjeta, ya que presenta ventajas con respecto a los otros mtodos, las caractersticas de este principio de medicin son analizados en el capitulo 2.

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Capitulo 2 Medicin de nivel por lectura de cdigo

CAPTULO 2 MEDICIN DE NIVEL POR LECTURA DE CDIGO

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2.1 CARACTERSTICAS GENERALES DEL SENSOR El principio seleccionado para la medicin del nivel fue el del sensor de nivel con lector de tarjeta, el elemento principal para este sensor es la tarjeta con cdigo. El sistema fue diseado para ser modulado en intensidad (presencia o ausencia de luz) y de forma transmisiva (extrnseca).

Una de las ventajas importantes de este medidor es la capacidad de poder trabajar con una variedad de sustancias que puedan fluir en el tanque. Dado que la medicin se realiza en base a un principio de flotacin, se puede determinar el nivel de diversos lquidos sin importar su densidad, transparencia, agresividad, etc.

El sensor presenta adems la cualidad de operar en ambientes

contaminados electromagnticamente. Las ventajas y caractersticas que presenta este principio de operacin en el sensor son las siguientes:

Un nmero alto de discretizacin con un mnimo de fibras pticas.

Amplio intervalo de medicin. Versatilidad en la instalacin. Elemento sensor de tamao reducido. Amplia variedad para los materiales de construccin

(dependiendo del fluido a tratar). Diversidad en la aplicacin de procesos Construccin simple y duradera. Flexibilidad en la utilizacin de sistemas digitales para el

procesamiento de la seal y control de la variable. Amplia variedad para la conexin de salida (interfaz de

computadora, exhibidores de leds o de cristal lquido, etc). Correcta operacin en un amplio intervalo de temperatura y

presin (solo dependiente de los materiales de construccin y fibra ptica).

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El principio de operacin por lectura de cdigo permite procesarse de modo enteramente digital.

El diseo del sensor es compacto, seguro y con posibilidades de miniaturizarse por medio de elementos mecnicos.

La operacin del sensor es intrnsecamente seguro en ambientes inflamables y agresivos.

Facilidad de instalacin en lugares poco accesibles Utilizacin de fibras pticas de plstico o de vidrio con diferentes

dimetros y ncleos. Utilizacin de fuentes pticas poco estabilizadas con niveles de

potencia ajustables a un valor fijo. La fuente ptica no requiere compensacin alguna. El sistema de calibracin es prctico y muy sencillo. El sistema de modulacin del haz de luz es sencillo (ausencia o

presencia del haz). Sistema de procesamiento por microcontrolador COP8 con

capacidad de control de procesos.

2.2 PRINCIPIO DE OPERACIN El elemento primario del sensor es la placa con cdigo binario, este cdigo puede incorporarse al sensor en forma reflectiva o transmisiva, dependiendo de si la tarjeta se construye con superficies reflejantes o con perforaciones en la misma que permitan pasar la luz hacia el sistema receptor.

En la realizacin del proyecto se utiliz el concepto transmisivo al perforar la placa con un cdigo binario de 8 bits, de tal forma que la lectura del cdigo en la placa perforada se realiza con la interrupcin o la presencia de luz en el extremo receptor, tal como se muestra en la figura 2.1.

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Los niveles discretos (N) detectables en el contenedor con este sistema estn en funcin del nmero de bits utilizados en la placa perforada, debido a que la placa tiene un cdigo binario de 8 bits entonces los niveles discretos son:

nivelesN n 25622 8 === (1)

El nmero de fibras emisoras (n) o lectoras del sistema son 8 ya que la placa perforada contiene un cdigo binario de 8 bits.

Figura 2.1 Bosquejo del cdigo binario en la placa perforada.

Cada uno de las 256 combinaciones en la tarjeta perforada indican un nivel de lquido determinado en el tanque.

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La lectura de cada combinacin en la tarjeta se realiza por medio de las fibras pticas. El sistema dispone de 8 fibras pticas emisoras de luz y 8 fibras pticas receptoras que se encuentran en la parte superior del contenedor.

La placa perforada con el cdigo binario se desplaza entre las

fibras pticas emisoras y receptoras impulsada por el nivel del lquido contenido en el tanque.

La placa perforada puede desplazarse entre las fibras pticas

debido a que en la base de la misma se encuentran unos flotadores de plstico que permiten impulsarla conforme el contenedor se llena o se vaca de lquido.

La forma en que se lleva a cabo la lectura del cdigo binario en

la tarjeta perforada por medio de las fibras pticas es de carcter transmisivo, es decir, las fibras pticas emisoras transmiten haces de luz hacia las fibras pticas receptoras, mismas que logran acoplar la potencia lumnica de las primeras dependiendo de la posicin de la tarjeta perforada .

Si una de las fibras pticas emisoras coincide con un hueco de la

tarjeta perforada con el cdigo binario, entonces la fibra ptica receptora podr acoplar esta radiacin ya que la tarjeta permitir un paso libre y directo entre ambas fibras. Por el contrario, si no hay ranura entre las fibras pticas entonces la fibra ptica receptora no recibe radiacin lumnica, de modo que la ausencia o presencia de luz en las fibras pticas representan los dgitos binarios de la placa perforada.

Como se tienen 8 fibras pticas emisoras, entonces se podr

obtener la lectura de un byte del cdigo de la tarjeta perforada. Esta informacin se procesa posteriormente y se interpreta como

un determinado nivel del lquido dentro del contenedor.

17


2.3 CONDICIONES PARA REALIZAR LA MEDICIN DE NIVEL BAJO EL PRINCIPIO SELECCIONADO Como se ha mencionado, las caractersticas del lquido que se

somete a la medicin con este prototipo pueden ser muy variadas. Los fluidos en cuestin pueden tener un alto ndice de viscosidad o pueden ser fluidos muy delgados.

Debido a esta cualidad del sensor, los cambios en la densidad y

viscosidad de un fluido (que cambian principalmente por las variaciones de temperatura y presin) no intervienen en la medicin del dispositivo, por lo que se hace inmune a los cambios de temperatura y presin dentro del tanque.

La dilatacin de ciertos lquidos pueden ser medidos por el

dispositivo, siempre y cuando el nivel de discretizacin del sensor lo permita.

El sensor puede medir lquidos opacos as como fluidos no

homogneos; los lquidos a medir pueden no estar limpios o pueden ser una combinacin de ellos, ya que el desplazamiento del lquido en el tanque es lo primordial para este principio de operacin.

Debido a que los flotadores que desplazan la placa perforada

con el cdigo binario son el nico elemento que se encuentra en contacto directo con el fluido, es de especial cuidado elegir el material de los mismos.

El material de los flotadores debe elegirse previamente para

soportar la agresividad del lquido (corrosin, densidad, temperatura del lquido), as como las variaciones de temperatura y presin dentro del contenedor, adems debe asegurar su flotabilidad en el lquido.

Para realizar la medicin bajo este principio es menester que el

perfil de llenado o de vaciado del lquido dentro del tanque sea lo ms plano posible, es decir, que se mantenga una velocidad constante de llenado o vaciado para obtener una lectura estable y bien definida.

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En caso de trabajar con lquidos donde el ambiente sea de rgimen turbulento, se tendra que establecer factores de correccin en el procesamiento de la seal para obtener una lectura promedio del sistema.

Para este tipo de esquema turbulento, puede ser conveniente

implementar sistemas de rectificacin mecnica para reducir las variaciones del perfil del nivel y obtener de esta manera las condiciones de velocidad apropiadas para el sistema.

Para realizar la medicin de nivel de un lquido dentro del

contenedor se consideraron los siguientes elementos:

Una placa perforada con el cdigo binario con las dimensiones adecuadas para su correcto funcionamiento, a fin de aplicar el principio de operacin descrito anteriormente.

Elementos que conforman el sistema ptico (emisor,

receptor, fibras pticas, etc).

- Diseo electrnico de una fuente ptica de potencia fija ajustable.

- Diseo electrnico de un receptor ptico adecuado

para tratamiento digital.

- Eleccin de la fibra ptica para el sistema.

- Desarrollo de un mtodo de calibracin para el sistema.

Desarrollo del sistema electrnico para el procesamiento

de las seales entregadas por el sensor.

Implementacin del sistema de salida para obtener la lectura del nivel en el tanque.

19


Sistema hidrulico de prueba utilizando ductos de plstico (poliductos PVC o acrlico).

- El lquido de control dentro del tanque es el agua

(Densidad = 1g/cm3, viscosidad absoluta = 1 cP). - Diseo del sistema con tubos de PVC hidrulicos de 1.

20

Capitulo 3 Diseo y construccin del sensor de nivel

CAPTULO 3 DISEO Y CONSTRUCCIN DEL SENSOR DE

NIVEL

21


3.1 INTRODUCCIN La construccin de un sensor con las caractersticas descritas, implica la correcta seleccin de los materiales a utilizar tanto para el diseo opto-mecnico como para el elemento sensor. El diseo debe considerar la sustancia con que se trabajar para reducir al mnimo el mantenimiento del mismo. 3.2 ELEMENTO SENSOR El elemento sensor del sistema est conformado por la placa perforada y los flotadores que se encuentran en su base.

El cdigo binario en la placa fue elegido para tener una conexin semidirecta con la electrnica digital y de esta forma obtener el byte de informacin correspondiente al nivel del lquido en el contenedor.

El material de la placa perforada debe cubrir los siguientes

requerimientos:

Debe soportar las condiciones ambientales dentro del contenedor.

Debe construirse con materiales livianos que permitan la

flotabilidad de las boyas en su base.

El material debe ser rgido para obtener una buena lectura del cdigo.

Para el prototipo implementado en el laboratorio, se utiliz una

placa de duraluminio de 27.8 cm (10.94 pulgadas) de largo por 6 cm (2.36 pulgadas) de ancho, el grosor de la placa es de 0.76 mm (30 milsimas de pulgada) ( vase el anexo A).

La razn para utilizar duraluminio en el sistema de medicin de

nivel fue la de tener una placa ligera y que fuera rgida a la vez, a pesar de tener un grosor pequeo.

22


La placa con el cdigo binario no debe interactuar qumicamente con el agua ni presentar oxidacin a largo plazo. Otras alternativas pueden ser placas de magnesio, titanio o algn plstico rgido como el PVC.

Dado que el lquido elegido para las mediciones de prueba es el

agua, los flotadores utilizados para impulsar la placa perforada con el cdigo binario fueron 2 boyas hidrulicas de plstico de 3.5 pulgadas de dimetro.

La placa impulsada por los flotadores se desplaza a travs de las

fibras pticas emisoras y receptoras por medio de unas flechas de aluminio que guan la tarjeta perforada hacia una placa ranurada (tambin de aluminio) donde descansan las fibras pticas.

La placa ranurada de aluminio se encuentra en la parte superior

del contenedor. El propsito de esta placa ranurada es el de sostener y alinear las fibras pticas emisoras y receptoras.

La alineacin de las fibras pticas emisoras y receptoras es tanto

transversal como longitudinal. La alineacin longitudinal es necesaria para la lectura de la placa

perforada con el cdigo binario, ya que en la placa perforada cada cdigo est dispuesto en forma horizontal y las 8 fibras pticas deben mantener la horizontalidad para la lectura correcta de la placa perforada.

La alineacin transversal se obtiene con el acanalamiento en V

de la placa ranurada, este acanalamiento recorre la placa ranurada de un extremo a otro, tal como lo muestra la figura 3.1.

En los canales descansan las fibras pticas emisoras y

receptoras, de tal forma que al asentarse en el fondo del canal cada fibra ptica queda alineada con su par en el otro extremo de la ranura; de esta manera se obtiene la mejor alineacin transversal y lateral.

23


Figura 3.1 Bosquejo de la placa ranurada y acanalada.

En la figura 3.1 Se puede apreciar el espacio existente entre fibra

ptica emisora y receptora, esta es la ranura en la placa de aluminio por donde se desplaza la placa perforada con el cdigo binario. En este punto es donde se encuentra la mayor prdida de potencia ptica entre fibra ptica emisora y receptora. Para mayor detalle referirse al anexo A.

3.3 SISTEMA HIDRULICO. El sistema hidrulico utilizado para el sensor de nivel fue el existente en el laboratorio de electrnica. El objeto de utilizar este sistema es el de aprovechar la trayectoria del circuito hidrulico de un contenedor de 50 litros hacia otro de 60 litros (el cual tiene el sensor de nivel de lquidos).

24


El flujo del lquido es bidireccional, de tal forma que se puedan

hacer pruebas de llenado y vaciado en el tanque que tiene instalado el sensor.

El sistema hidrulico propuesto puede llenar o vaciar el tanque con el sensor de nivel a travs de un arreglo de tuberas en conjunto con un juego de vlvulas que pueden transportar el lquido de un contenedor a otro y viceversa, tal como se observa en la figura 3.2.

Figura 3.2 Sistema hidrulico.

Debido a las dimensiones del contenedor de 60 litros, a la potencia de la bomba hidrulica, as como al conjunto de tuberas, se logra obtener un perfil de velocidad constante de llenado sin turbulencias excesivas en el contenedor; de tal forma que facilita la medicin de la variable.

25


3.4 SISTEMA PTICO DEL SENSOR Todo sistema ptico est conformado por tres componentes principales: un transmisor, un medio de transmisin ptica (fibras pticas), la cual sirve como va o canal de comunicacin y un receptor[3]. La fibra ptica, que es un medio dielctrico, permite guiar a la luz misma que puede contener la informacin pertinente a la variable fsica medida (en este caso el nivel de un lquido).

Figura 3.3 Elementos generales de un sistema de medicin ptico.

Para cualquier sistema ptico de medicin es necesario la

utilizacin de transductores, que pueden ser de conversin de seales elctricas (voltaje o corriente) a energa luminosa (transductores emisores) o transductores que conviertan la energa luminosa a seales elctricas (transductores receptores). El bosquejo de los elementos generales que conforman al sistema ptico del sensor se presenta en la figura 3.3; cada elemento del sistema se trata por separado ms adelante.

26


3.4.1 FIBRA PTICA Las fibras pticas son filamentos de vidrio o dixido de silicio largos y flexibles, constan de un ncleo transparente rodeado por un material dielctrico llamado revestimiento (aunque tambin existen varios ncleos dentro de un mismo revestimiento) y un recubrimiento que dota de proteccin al revestimiento[1].

El ncleo es la seccin central principal por la que viaja la informacin en forma de luz. El revestimiento es la capa que rodea al ncleo, su objeto es actuar como pantalla reflejante que atrapa los rayos de luz en el ncleo, su ndice de refraccin es ligeramente menor al del ncleo.

Figura 3.4 Partes que integran a una fibra ptica.

La transmisin de informacin en las fibras pticas se logra aprovechando el fenmeno de la reflexin interna total dentro del ncleo. La seleccin de las fibras pticas para el sensor de nivel est limitada por los tipos de fibras pticas existentes en el laboratorio de electrnica. Las fibras pticas disponibles en el laboratorio son:

- Fibra ptica de plstico con un dimetro de ncleo de 1000 m.

- Fibra ptica de vidrio con un dimetro de 50/125 m.

- Fibra ptica de vidrio con un dimetro de 100/140 m

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Para la eleccin de alguna de las fibras pticas anteriores se estudiaron sus caractersticas individuales, ventajas e inconvenientes para implementar el sensor.

En primera instancia, se descart la fibra ptica de plstico de

1000 m de dimetro debido a que este tipo de fibra ptica tiene una atenuacin relativamente elevada a las longitudes de onda localizadas en el infrarrojo, es por esta razn que las fibras pticas de vidrio tienen ms uso, ms variedad y una mayor gama de aplicaciones en el mercado de las comunicaciones.

Aunque las fibras pticas de plstico tienen un ncleo

considerablemente grande y por tanto puede acoplar ms luz a la misma, resulta inconveniente para el sensor de nivel, el que esta fibra ptica est diseada para ser transparente a las longitudes de onda en el espectro visible, lo cual puede provocar interferencia al sensor debido a la luz ambiental.

La fibra ptica de plstico tiene atenuaciones de hasta ms de

1000 dB/Km para longitudes de onda en el infrarrojo, por lo que no son capaces de transmitir luz infrarroja a grandes distancias.

La luz que se propaga en un conductor de fibra ptica de vidrio

experimenta atenuaciones mayores en las longitudes de onda del espectro visible, mientras que en la regin del infrarrojo presenta atenuaciones menores.

Para cubrir grandes distancias sin emplear regeneradores

intermedios, es necesario mantener estas prdidas en el mnimo posible, es por esto, que en este tipo de fibras pticas conviene emplear luz que se encuentre en longitudes de onda pertenecientes al infrarrojo.

Para la eleccin de las fibras pticas de vidrio existentes en el

laboratorio, se caracterizaron ambas fibras pticas tal como se explica adelante.

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3.4.2 CARACTERIZACIN DE LAS FIBRAS PTICAS DE VIDRIO

Una caracterstica importante de las fibras pticas es su habilidad de colectar luz emitida por una fuente. Cuando se acopla una fuente ptica a una fibra ptica, se presentan dos mecanismos de prdidas, uno de ellos est relacionado al desacoplamiento de rea y el otro est relacionado con la apertura numrica.

El desacoplamiento de rea se presenta cuando el patrn de radiacin de la fuente (cono de la emisin de luz) es ms grande que el rea transversal del ncleo.

En ocasiones aunque el rea iluminada por la fuente sea menor que el rea del ncleo, existe otra prdida asociada con el cono de aceptacin de la fibra[4].

El ngulo de aceptacin (a) de luz de la fibra ptica est relacionado con el ngulo crtico, dado que se pretende colectar la mayor cantidad de luz al ncleo de una fibra ptica, entonces es importante conocer este parmetro de las fibras pticas conocido como apertura numrica (figura 3.5).

Figura 3.5 Cono de aceptacin de la fibra ptica dependiente de la apertura

numrica. Para determinar el cono de apertura de las fibras pticas de vidrio se utiliz un diodo lser como fuente ptica (por su alta capacidad de acoplamiento de potencia ptica a la fibra).

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Se inyect luz por un extremo de la fibra ptica sometida a prueba, y en el otro extremo de la misma se midi la mota de luz conducida por la fibra, observada en una pantalla blanca, tal como se muestra en la figura 3.6.

Figura 3.6 Medicin de la apertura numrica de la fibra ptica.

Se determin la apertura numrica de la fibra ptica por medio de la siguiente expresin[7]:

22

4

2

hd

d

NAsen a+

== (2)

donde d= dimetro de la mota de luz en la pantalla blanca (mm). h= distancia entre la fibra ptica y la pantalla blanca (mm). NA= apertura numrica de la fibra ptica (adimensional). a = ngulo de apertura (grados). Con la expresin matemtica anterior se puede determinar el radio de iluminacin de la luz entregada por la fibra ptica a una distancia d.

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Para realizar la medicin se mont la fibra de 100/140 frente a una pantalla de papel blanco en donde se marc la imagen del cono de luz proyectado por la fibra. El proceso se realiz a diferentes distancias, para tener ms precisin en el clculo. La fuente ptica fue un apuntador lser comercial al cual se le alter su lente interna para enfocar el haz hacia la fibra ptica y de esta manera inyectar mayor potencia lumnica a la fibra ptica. Los resultados se presentan en las siguientes tablas: Tabla 3.1 Mediciones de la NA para la fibra ptica de 100/140 m

h(mm) d(mm) NA(adimensional) 8.43 5.33 0.301 2.59 1.98 0.35

2 1.16 0.27 1.28 0.79 0.29

Promedio 0.302

Tabla 3.2 Mediciones de la NA para la fibra ptica de 50/125 m h(mm) d(mm) NA(adimensional) 8.43 3.81 0.22 2.6 1 0.192 2 0.81 0.199

1.28 0.6 0.232 Promedio 0.211

En las pruebas que se realizaron a las fibras pticas de vidrio se puede apreciar que la fibra ptica que tiene una apertura numrica ligeramente mayor es la fibra ptica de 100/140 m. , por lo que tiene un cono de apertura mayor que la otra fibra ptica. Se eligi la fibra ptica de 100/140 m dado que tiene un ncleo mayor y por tanto es posible acoplar ms potencia lumnica a esta fibra ptica.

31


3.4.3 FUENTE PTICA

Las fuentes pticas pueden construirse a base de tres tipos de emisores de luz: Diodos Lser (LD), Diodos Emisores de Luz (LED) o Diodos Sper luminiscentes(SLD)[2]. Los diodos lser son fuentes de luz coherente, producto de la emisin estimulada que tiene lugar en una cavidad resonante, compuesta por una superficie reflejante y otra parcialmente reflejante, en donde se da la retroalimentacin ptica. Su ancho espectral es menor a 5nm y tiene un patrn de radiacin muy direccional, con lo que se obtiene un acoplamiento de potencia ptica grande. Los diodos emisores de luz son fuentes de luz incoherente debido a que trabajan bajo el principio de emisin espontnea, su fabricacin es mucho ms sencilla y robusta en comparacin con los LDs, regularmente se modulan en amplitud ya que la potencia luminosa del LED es proporcional a la corriente inyectada en ste; el patrn de radiacin de este dispositivo es omnidireccional por lo que el acoplamiento con fibras pticas es pobre. Los diodos sper luminiscentes (SLD) son similares a los LDs, su diferencia principal es que en estos dispositivos no se tiene retroalimentacin ptica como en los LDs. La radiacin emitida por un SLD es de emisin espontnea amplificada, aunque la emisin no es coherente, su ancho espectral es ms reducido que el de un LED, pero ms ancha que la de un LD y su patrn de intensidad radiante es ms reducido y potente que el de los LEDs. Para seleccionar el tipo de fuente luminosa fue necesario tomar en cuenta las ventajas y los inconvenientes de cada dispositivo, as como los requerimientos del sistema mismo: El diodo Lser, aunque tiene un mayor acoplamiento ptico a la fibra ptica, es crticamente dependiente de la corriente de operacin (corriente de umbral de emisin lser) y de la temperatura. Adems, este dispositivo es muy delicado en la presencia de transitorios elctricos y es muy costoso cuando radan en el infrarrojo.

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Los diodos sper luminiscentes son de alto costo y requieren de una gran corriente de inyeccin para producir una ganancia sustancial. Por tanto el dispositivo elegido fue el LED, que tiene mayor estabilidad trmica, mayor tiempo de vida, es menos susceptible a transitorios elctricos y es econmico.

Para los propsitos del sistema es suficiente la utilizacin de un LED a pesar de su baja eficiencia de acoplamiento de luz a la fibra ptica, ya que slo se requiere de una fuente ptica relativamente estable.

Las ventanas de operacin de la fibra ptica de vidrio preferidas

para telecomunicaciones se encuentran en el espectro infrarrojo, siendo 850, 1300 y 1550 nm las longitudes de onda ms empleadas para esa aplicacin.

Debido a que se utiliz la fibra ptica multimodo de vidrio de

100/140 m, se realizaron pruebas con diferentes LEDs que radian en el espectro infrarrojo, siendo el LED OPF371 de OPTEK[11] el que proporcion el mayor acoplamiento de luz a la fibra ptica elegida.

El LED OPF371 tiene la ventaja de tener integrado al

semiconductor un receptculo SMA. Este tipo de conectores son los empleados por las fibras pticas del sistema. Las hojas de especificaciones tcnicas del OPF371 se encuentran en el anexo B.

La configuracin de la fuente ptica es un circuito electrnico de control de corriente por medio de un transistor y una referencia de voltaje, tal como se puede apreciar en la figura 3.7. La referencia de voltaje de la fuente ptica la proporciona el integrado LM 399[13], esta referencia de voltaje tiene una estabilidad trmica de una millonsima de volt por cada grado centgrado.

33


Figura 3.7 Fuente ptica con LED emisor de 850 nm.

El integrado LM399 mantiene un voltaje de 6.9 volts entre sus

terminales de ctodo y nodo, de tal forma que el voltaje de referencia se obtiene por medio del divisor de voltaje entre las resistencias de 1K y 100K tal como sigue:

VoltsVoltsVREF 832.610001000001000009.6 =

+= (3)

Se puede observar en el diagrama elctrico que el voltaje de referencia se ve reflejado en el emisor del transistor BD139, lo que provoca una corriente de magnitud semejante en el colector del mismo.

La corriente en el LED se calcula con la siguiente ecuacin:

mAohmsVolts

RVII

E

ECE 3.8382

832.6 === (4) La corriente en el LED se estableci de este valor para obtener la mxima potencia lumnica del diodo pero sin llegar a su corriente lmite de operacin, en las hojas de especificacin del anexo B se puede observar que la corriente lmite de este LED es de 100 mA. El capacitor de 22 F proporciona estabilidad a posibles transitorios por el valor de la constante de tiempo, esta constante est determinada por la resistencia en paralelo y tiene un valor de 2.2 segundos.

34


Figura 3.8 Circuito para caracterizar a los diodos del emisor.

Con el circuito de la figura 3.8 se caracterizaron los LEDs de cada emisor ptico. Por medio de la resistencia variable de 100 K, se vari el voltaje de referencia de tal forma que se obtuvieron diferentes corrientes en el OPF371, obtenindose las siguientes mediciones: Tabla 3.3 Mediciones de corriente de LED vs. Voltaje de referencia. Voltaje de referencia VREF (Volts) Corriente en el LED ILED (mA)

1.2 15 1.54 20

2 25 2.41 30 2.78 35 3.14 40 3.56 45 4.03 50 4.47 55 4.89 60 5.23 65 5.7 70

6.05 75 6.48 80 6.87 85 7.25 90 7.69 95 8.2 100

35


Cabe aclarar que para corrientes que son mayores a 80 mA, las

mediciones se realizaron sin el integrado LM399, esto fue con el fin de caracterizar al diodo emisor en su mxima conduccin de corriente.

Se caracteriz la salida ptica del LED OPF371 a partir de las

diferentes corrientes en el dispositivo. La medicin de la potencia ptica se realiz con el multmetro ptico Tektroniks Modelo TFC200, obtenindose las siguientes mediciones.

Corriente en el LED ILED (mA) Potencia ptica PO (W)

15 26.6 20 38.9 25 48.1 30 59.3 35 61.4 40 80.1 45 87.9 50 99.2 55 106.8 60 113.5 65 123.6 70 132.7 75 139.3 80 146.7 85 153.9 90 160.2 95 165.4

100 171.3 Tabla 4. Mediciones de la potencia ptica de LED vs. corriente del

LED.

De acuerdo con la tabla 3.4, la potencia promedio para una corriente de 80 mA para un lote de 8 LEDs OPF371 fue de 150W. De los cuales, al acoplarse a la fibra ptica emisora se obtuvo una lectura de potencia promedio de 126W a la salida de cada fibra ptica.

36


3.4.4 RECEPTOR PTICO El proceso de conversin de fotones a electrones libres (portadores) es esencial para el sistema ptico. Esta conversin se realiza por medio de fotodetectores que pueden clasificarse como[2]:

a) Elementos fotoemisivos. b) Elementos fotoconductivos.

c) Elementos fotovoltaicos.

A los elementos fotoemisivos se les conoce tambin como

elementos de efecto fotoelctrico externo, mientras que los dos restantes se les llama elementos de efecto fotoelctrico interno.

Los detectores fotoemisivos pueden ser los fotodiodos de vaco y los tubos fotomultiplicadores. El componente principal para este tipo de detectores es el material fotosensitivo en el ctodo.

En este tipo de detectores cuando el ctodo se ilumina por

radiacin externa, se desprenden electrones del material sensitivo que viajan por el tubo de vaco donde los electrones se aceleran y colectan por el nodo, formndose una trayectoria elctrica completa que fluye hacia un circuito externo. Dado que este tipo de elementos tienen un costo elevado, son poco robustos y adems requieren de fuentes de alimentacin de alto voltaje (150 2000V), se descart la utilizacin de los mismos.

Los detectores fotoconductivos son dispositivos de un solo tipo

de material semiconductor; en este tipo de detectores, la conductividad del semiconductor vara linealmente con la incidencia de luz, la cual se traduce en variaciones de corriente o de voltaje para un circuito elctrico externo. Estos detectores tienen la desventaja de trabajar en un intervalo de longitudes de onda que van de 3m a 100m por lo que su utilizacin fue descartada en el proyecto.

37


La caracterstica principal de los detectores fotovoltaicos es la presencia de una unin de material semiconductor. La unin puede ser una homounin, una heterounin, una unin semiconductor y metal (como la barrera Schottky), una unin de contacto puntual o una estructura PIN.

Existen bsicamente dos tipos de semiconductores

fotodetectores empleados en los receptores pticos de este tipo; el primero es comnmente referido como fotodetector PIN, ste genera menos de un de electrn-hueco por fotn absorbido.

El segundo se refiere como fotodetector de avalancha debido al

proceso de ionizacin de impacto, este proceso produce una ganancia interna, ya que genera ms de un par electrn-hueco por fotn absorbido; a esta ganancia se le conoce como ganancia de avalancha.

En algunas aplicaciones, donde se requiere alta sensibilidad, es

ventajoso disear los receptores con fotodetectores de avalancha; sin embargo, el proceso de ganancia es estadstico, en donde cada par electrn-hueco primario genera un nmero aleatorio M de pares electrn-hueco secundarios, con un valor medio N.

Por lo aleatorio del proceso de multiplicacin de ionizacin de impacto se introduce ruido, que puede en algunas circunstancias ser un factor dominante en la sensibilidad del receptor.

Por los argumentos anteriores, se prefiri el diodo PIN OPF471

para la construccin del receptor ptico, ya que adems resulta atractivo por las siguientes caractersticas: 1.- Alta sensibilidad a la longitud de onda de operacin (850 nm). 2.- Contribucin mnima al ruido total del receptor.

3.- Tiempo de respuesta mnimo a los cambios de potencia lumnica.

4.- Dimensiones fsicas compatibles con la fibra ptica. 5.- Receptculo SMA integrado al LED.

38


6.- Baja corriente de obscuridad. 7.- Amplio intervalo de operacin trmica.

En la figura 3.9 se muestra el diagrama elctrico del receptor ptico con el OPF471, en ella se puede apreciar que para polarizar al diodo PIN (en forma inversa) se utiliz una resistencia de 10 K.

Figura 3.9 Diagrama del circuito elctrico del receptor ptico.

Las curvas caractersticas de un diodo PIN se muestran en la figura 3.10, en ellas se puede observar que conforme incide ms luz en el diodo PIN OPF471, la curva caracterstica del diodo PIN se desplaza en el eje negativo de iD, por lo que la corriente inversa en el OPF471 se incrementa conforme aumenta la luz incidente sobre el mismo [14].

39


Figura 3.10 Curvas caractersticas de corriente vs. Voltaje y lnea de carga

El voltaje de polarizacin inversa se eligi de 5 volts, por lo que los valores crticos para la recta de carga son:

VDiD=0 = Vcc-IDR = 5 Volts. (5)

ID vD=0 = (Vcc-VD)/R = 5 Volts/10 K = 500 A. (6)

El intervalo dinmico debido a la resistencia de 10K, es apropiado para el OPF471, dado que para una incidencia de 104 Lux proporciona una corriente de corto circuito (Isc) de aproximadamente 500 A. Si se incrementara la resistencia de carga se obtendra un intervalo dinmico de corriente ms pequeo, con el riesgo de incrementar el ruido en el sistema debido al ruido trmico que es directamente proporcional a la magnitud del resistor de carga, como se demuestra con la siguiente ecuacin:

fkTREt = 4 (7) donde Et = ruido rms trmico

k = constante de Boltzmann (1.38x10-23 W-s/K) T = temperatura de el conductor en grados Kelvin. R = resistor o parte real de la impedancia del conductor f = ancho de banda de ruido (Hz).

40


Cabe aclarar que el incremento del voltaje inverso aplicado al diodo PIN mejora la rapidez en la respuesta del mismo, ya que existe una capacitancia de unin intrnseca entre las terminales del diodo PIN (como se muestra en el circuito equivalente de la figura 3.11), lo que provoca que se forme una constante de tiempo entre la carga y la capacitancia de unin.

En la figura 3.12 se puede notar que conforme se incrementa el

voltaje inverso aplicado, la capacitancia de unin (CJ) disminuye y por tanto aumenta la rapidez de respuesta del diodo PIN.

Figura 3.11 Circuito equivalente del fotodiodo PIN.

El valor de CJ es proporcional al rea activa (A) e inversamente

proporcional a la resistivad del material del sustrato () y al voltaje inverso aplicado (VR), tal como lo indica la siguiente expresin[13]:

CJ = A[(VR+0.5)]1/3 (8)

41


Figura 3.12 Curvas caractersticas capacitancia CJ vs voltaje inverso. Tomada de [14].

Debido a que la variacin del nivel de un lquido es lenta (en el

orden de dcimas de segundos), no es necesario reducir el valor de CJ con voltajes inversos grandes, sino por el contrario, en el sistema no es conveniente incrementar el voltaje inverso ya que se incrementara la corriente de obscuridad (como se aprecia en la figura 3.13).

Por esta razn el circuito se polariz con 5 volts, aprovechando

de esta manera la fuente de polarizacin para la etapa receptora.

42


Figura 3.13 Curvas caractersticas corriente de oscuridad vs. voltaje inverso. Tomada de [14]. El circuito equivalente del diodo PIN con una primera etapa de

amplificacin se muestra en la figura 3.14.

Figura 3.14 Circuito equivalente del diodo PIN y una etapa de amplificacin con sus respectivas fuentes de ruido.

En la figura 3.14 se aprecian los siguientes elementos: IL = Corriente generada por la luz incidente (A) VD= Voltaje a travs del diodo, VD = Vcc-VRL 5V - 0.1V = 4.9V ID = Corriente promedio a travs del diodo (10A) CJ = Capacitancia de unin (1.5 pF)

43


ISh = Corriente de ruido de granalla de fotodiodo (A) ISh = BqIdc2 .................................................(9) donde q= 1.602x10-19 coulombs, Idc= Corriente promedio (A) B = ancho de banda de ruido (Hz). Por tanto HzHzAxBqII dcSh /pA8.1)1)(10)(10602.1(22 19 == RSh = Resistencia de fuga () 107


Esta primera etapa amplificadora se construy con el operacional TL071 debido a que es un amplificador operacional de bajo ruido, por lo que es adecuado para amplificar seales muy pequeas. Cuando incide la luz infrarroja de una fibra ptica receptora en el diodo PIN OPF471 del receptor ptico, se tienen en promedio una seal elctrica un poco mayor a 1mV en la resistencia de polarizacin del diodo PIN (10K). Por lo que despus del preamplificador se tiene una seal promedio de 0.1 Volt a la salida. La segunda etapa de amplificacin tiene una ganancia A2 = 47. Esta etapa tiene el propsito de asegurar los niveles de voltaje compatibles con la tecnologa TTL para procesar dicha informacin posteriormente. Se seleccion el amplificador operacional LM399, debido a que es de tecnologa de colector abierto, por lo que se tiene voltajes de saturacin cercanos a los 5 Volts. Despus de esta etapa la seal elctrica se encuentra en un intervalo de 4.75 a 5 Volts. Para minimizar el ruido en el circuito receptor se sugiere que la primera etapa amplificadora tenga la mxima ganancia, ya que la segunda etapa de amplificacin se conecta en cascada. El factor de ruido de un sistema con dos etapas de amplificacin est definido por la siguiente expresin[15]: ( )

1

2112

1G

FFF += (11) Donde F12 = factor de ruido del sistema con dos etapas de amplificacin. F1 = factor de ruido del primer amplificador. F2 = factor de ruido del segundo amplificador G1 = ganancia del primer amplificador.

Se concluye que el factor de ruido de una red en cascada est influenciado principalmente por el ruido de la primera etapa, por lo que la ganancia de est etapa debe de ser lo ms grande posible.

45


La ganancia de la primera etapa amplificadora no fue implementada con un valor alto con respecto a la segunda etapa, porque no se deseaba la saturacin en la entrada de la segunda etapa. Despus de esta segunda etapa amplificadora se manda la seal a un buffer Schmitt antes de ser procesado por el microcontrolador COP8SGR7, tal como se describe en el siguiente captulo.

46

Capitulo 4 Procesamiento de la seal elctrica e interfase perifrica

CAPTULO 4 PROCESAMIENTO DE LA SEAL ELCTRICA E

INTERFASE PERIFRICA

47


4.1 INTRODUCCIN Despus de obtener una seal elctrica de un sensor es necesario procesar esta seal para poder interpretar correctamente la informacin contenida en ella. Para una mejor comprensin del fenmeno fsico, qumico o biolgico que se somete a medicin, es necesario tener alguna interfase con el procesador ya sea visual o auditiva. 4.2 PROCESADOR DE SEAL Para procesar la seal entregada por el sensor ptico, se emple el microcontrolador COP8SGR7 de National Semiconductors [10] de 40 pines. En la figura 4.1 se observan los pines del microcontrolador y algunas de sus funciones alternas. Se puede apreciar que el microcontrolador empleado fue el de encapsulado DIP (Dual in Line Package).

Figura 4.1 Diagrama del circuito integrado COP8SGR7

48


El microcontrolador COP8SGR7 fue empleado en el sistema por las siguientes caractersticas y ventajas:

Bajo costo del microcontrolador y de su sistema mnimo de programacin.

Puede operar en ambientes con alta contaminacin electromagntica.

Memoria EEPROM de 32Kbytes integrada. Opera con niveles de bajo voltaje (2.5 Volts) o niveles TTL. Puertos programables de entrada / salida de alta corriente

(capaces de manejar LEDs, motores y altavoces pequeos).

Puede operar con un cristal de hasta 10MHz con alta fiabilidad.

Basado en arquitectura Harvard Modificada. Sistema de temporizacin avanzado y de fcil

programacin. Biblioteca de programacin avanzada con macros. Alta eficiencia en los cdigos de programacin. Consumo de muy baja potencia (en modos HALT e IDLE). Ultrabaja emisin de interferencia electromagntica. Monitoreo del reloj y sistema de proteccin anticorrupcin

de programa Proteccin contra descargas electrostticas (de ms de

2000V). Reset de encendido por fuente. Puertos programables de entrada / salida avanzados que

minimizan componentes externos.

El microcontrolador COP8SGR7 tiene diferentes opciones para el oscilador, tales como la utilizacin de un cristal, un circuito resonador interno, activacin por onda cuadrada externa o reloj R-C interno o externo.

Se utiliz el modo de cristal para la activacin del reloj, ya que

este modo es ms estable y a diferencia de las otras opciones es menos dependiente de la fuente de alimentacin del sistema.

49


El ciclo de mquina o la frecuencia de trabajo interno del microcontrolador depende del valor del cristal (fcristal) con que se trabaje, la expresin para calcular el tiempo del ciclo de mquina es:

10

1cristal

C fT = (12)

Debido a que se tiene un cristal de 4 MHz en operacin, el

tiempo de mquina (TC) es:

.5.2

104

1 segMHzTC == (13)

El microcontrolador COP8SGR7 tiene una arquitectura Harvard

modificada (el diagrama a bloques de la arquitectura interna se puede apreciar en el anexo B).

La caracterstica principal de este tipo de arquitectura (a

diferencia de la arquitectura Von Neumann) es que la memoria de programa y de datos son independientes. Cada memoria tiene su propio bus de datos y bus de direcciones, por lo que se tiene acceso simultneo a los datos y al programa.

Debido a esta cualidad, la prxima instruccin puede ser

alimentada desde la memoria del programa mientras que la instruccin actual est siendo ejecutada.

Las instrucciones de este microcontrolador puede realizar ms

operaciones lgicas por unidad de instruccin con menos ciclos de mquina.

Cada terminal (PIN) de los puertos del microcontrolador puede

ser programado en forma independiente como entrada / salida. Este microcontrolador no solo procesa la seal recibida de las

fibras pticas sino que controla el funcionamiento adecuado del exhibidor de cristal lquido AND491[12].

50


4.3 PERIFRICO DE SALIDA Para desplegar los resultados del procesamiento del

microcontrolador COP8SGR7, proveniente de la seal de las fibras pticas del sistema, se emple como interfase perifrica al exhibidor de cristal lquido AND491.

Por medio de este dispositivo electrnico se puede visualizar la

lectura del nivel de lquidos en litros contenido en el tanque sometido a medicin. En l se aprecian los mensajes de llenado o de vaciado del contenedor dependiendo del caso en que se encuentre el tanque.

El exhibidor de cristal lquido AND491 es un dispositivo

electrnico inteligente, compacto (88mm x 36mm x 12mm) de 16 caracteres por 2 lneas en pantalla. Este exhibidor puede mostrar 160 caracteres (nmeros, letras y smbolos).

El formato de cada carcter puede ser programado de 5x7

puntos o de 5x10 puntos, cuenta con 11 comandos de control tal como se aprecia en el anexo C.

El exhibidor trabaja con niveles TTL (5 Volts) y tiene un bus de

direcciones y datos de 8 bits, puede ser programada para ser compatible con CPUs de 4 bits.

4.4 INTERFASE PERIFRICA. La interconexin entre el microcontrolador COP8SGR7 y el

exhibidor de cristal lquido AND491 fue directa por medio del puerto D de alta corriente del microcontrolador y el bus de datos y direcciones del exhibidor.

En la figura 4.2 se puede apreciar que los pines de control del

exhibidor estn conectados a los pines L5 y L7 del puerto L del microcontrolador, el resistor variable de 10 K conectado a la terminal 3 del exhibidor permite controlar el contraste de la pantalla del mismo.

51


En el caso de no contar con una fuente externa de iluminacin, se puede activar manualmente la luz que ilumina la pantalla completa del exhibidor por medio de un interruptor normalmente abierto.

Figura 4.2 Diagrama elctrico de la interfase perifrica.

En la figura 4.2 se puede observar que la seal que proviene de

la segunda etapa amplificadora del receptor ptico, pasa a travs de un buffer con disparadores Schmitt internos (74LS541).

Aunque los disparadores Schmitt cambian de estado a los 2.4

Volts, es necesaria la segunda etapa amplificadora del receptor ptico para obtener una seal confiable y de esta manera mandar un 1 lgico al puerto del microcontrolador cuando se tiene una seal en el diodo PIN OPF471. Los buffer Schmitt tambin cumplen con el fin de proteger al puerto F del microcontrolador COP8SGR7.

4.5 PROGRAMACIN DEL COP8SGR7 El microcontrolador COP8SGR7 se program para procesar la

seal de las fibras pticas y controlar el exhibidor de cristal AND491.

52


Al procesar la seal proveniente de las fibras pticas se conoce el nivel actual del lquido en el contenedor, esta informacin se despliega en el exhibidor de cristal lquido.

En la programacin se configuraron las terminales de los puertos

D (salida de pull-up), F (entrada de alta impedancia) y L (salida de pull-up) del microcontrolador para enviar los datos al exhibidor, obtener la seal de las fibras pticas y controlar el exhibidor AND491 respectivamente.

Se utiliz el temporizador interno t0 de corrida libre para

sincronizar la actualizacin de la lectura del nivel en el exhibidor de cristal lquido con la seal obtenida de las fibras pticas.

Figura 4.3 Diagrama de flujo del programa principal.

53


El temporizador t0 se decrementa continuamente a la velocidad del ciclo de mquina y genera una interrupcin cada 4096 ciclos. Dado que el tiempo de mquina es de 2.5 seg entonces genera una interrupcin cada 10.24 mseg.

Por medio del temporizador t0, se actualiza la lectura del nivel del

lquido en el contenedor, desplegado en el exhibidor de cristal lquido. La actualizacin de la lectura del nivel del lquido se realiza cada medio segundo por medio de la lgica del programa. El programa principal en lenguaje ensamblador puede encontrarse en el anexo C.

Dado que el tiempo de actualizacin de lectura del sistema es

menor a un segundo, podra ste operar en tiempo real. Para mostrar los mensajes en el exhibidor AND491 de llenado o

de vaciado del contenedor, as como la lectura del nivel de lquido en el mismo, se modific e implemento la macro display de las bibliotecas de programacin para COP8SAC y COP8SGR de National Semiconductor. El programa en extenso de la macro se muestra en el anexo C.

En la Figura 4.3 se muestra el diagrama de flujo general para el

procesamiento de la seal de las fibras pticas y la lectura del nivel del lquido en el exhibidor de cristal lquido.

54

Capitulo 5 Caracterizacin del sistema y anlisis de prdidas

CAPITULO 5 CARACTERIZACIN DEL SISTEMA Y ANLISIS DE

PRDIDAS

55


5.1 INTRODUCCIN Para evaluar un sistema en operacin es necesario caracterizar cada etapa del proceso para tener conocimiento de la eficiencia, prdidas de energa, potencia consumida, etc. El obtener estos parmetros del sistema nos permite comparar el mismo con respecto a otros sistemas del mismo propsito. 5.2 SISTEMA GENERAL DE MEDICIN El sensor de nivel con fibras pticas se construy en 5 bloques principales (tal como se muestra en la figura 5.1): 1.- Fuente ptica. 2.- Sensor ptico (modulador). 3.- Receptor ptico. 4.- Procesador de seal. 5.- Perifrico de salida.

Figura 5.1 Diagrama a bloques del sistema general de medicin.

56


5.3 ELEMENTOS PRINCIPALES QUE CONFORMAN AL SISTEMA

Sistema ptico.

- Fibras pticas transmisoras:

Fibra ptica multimodo de vidrio, ndice escalonado, 100/140 m de ncleo, apertura numrica de 0.302, atenuacin de 4 dB/Km.

Longitud: 1.5 mts. - Fibras pticas receptoras:

Fibra ptica multimodo de vidrio, ndice escalonado, 100/140 m de ncleo, apertura numrica de 0.302, atenuacin de 4 dB/Km.

Longitud: 1.5 mts.

- Elemento emisor:

Diodo Emisor de Luz (LED) OPF371 infrarrojo GaAlAs, longitud de onda de emisin mxima de 850 nm, ancho de banda espectral de 35 nm, encapsulado con conector SMA, fabricante OPTEK. - Elemento detector:

Fotodiodo PIN OPF471, encapsulado con conector SMA, respuesta a longitud de onda de 850 nm (respuesta pico), Responsividad de 0.55 A/W. Fabricante OPTEK. - Conectores: Conectores SMA, Fabricante FIS.

Sistema mecnico.

- Placa perforada con cdigo binario de 8 bits de duraluminio, 1.27 mm de centro a centro, 0.127 mm de peralte entre lneas de cdigo.

57


- Placa soporte acanalada en V de aluminio con profundidad de 0.76mm (30 mil), ranura al centro transversalmente con 2mm de separacin entre bordes.

- Sujetador para fibras pticas de aluminio, ranurada al centro con 2mm de separacin entre bordes y 16 prisioneros de 1.58mm (1/16).

- Guas de Aluminio ranuradas longitudinalmente de 40 cm.

Procesador e interfase perifrica.

- Procesador de seal:

Microcontrolador COP8SGR7 con memoria EEPROM de 32 Kbytes integrada, Fabricante National Semiconductors. - Perifrico de salida: Exhibidor de cristal lquido AND491, 16 caracteres en pantalla por 2 lneas. Fabricante AND.

5.4 EVALUACIN DEL SISTEMA Las distancias existentes entre la fuente ptica, el sensor (punto de medicin), y los receptores pticos estn determinados por las prdidas de potencia en todo el sistema. En ambientes agresivos (como los existentes en la industria petroqumica, qumica, etc), es necesario localizar los puntos del procesamiento de la seal y monitoreo de la misma.

Tener una distancia prudente del proceso que se desea monitorear permite realizar la medicin sin causar riesgos a los usuarios y un ambiente intrnsecamente ms seguro. Es por la razn anterior que cobra importancia la caracterizacin de las prdidas totales que se originan en la transmisin y recepcin de luz en el sensor de nivel.

58


El anlisis de prdidas de potencia ptica est centrada en

4 casos principales[8]: a) Desalineacin lateral. b) Desalineacin angular c) Separacin entre terminales d) Terminales mal pulidas.

En la figura 5.2 se puede apreciar grficamente cada caso.

Figura 5.2 Prdidas de potencia ptica.

Para estimar las prdidas de potencia ptica en cada caso se

tomaron las siguientes consideraciones:

1.- La potencia ptica est uniformemente distribuida sobre el ncleo de la fibra ptica. 2.- Se muestra separadamente el anlisis de los cuatro casos anteriores.

59


La potencia ptica acoplada al receptor se determina de acuerdo a la siguiente expresin[2]:

Pfotodetector = Pfuente - Prdidas. (14)

Donde Pfotodetector = Potencia acoplada al receptor. Pfuente= Potencia ptica de la fuente que se acopla a la fibra transmisora.

Prdidas = Suma de prdidas de potencias pticas. La contribucin ms grande a las prdidas de potencia ptica en el sistema, se debe a la discontinuidad existente entre la fibra ptica emisora y receptora, siendo menores las prdidas en los casos restantes. 5.4.1 DESALINEACIN LATERAL Para estimar las prdidas por desalineacin lateral se considera el desplazamiento de dos fibras pticas (emisora y receptora), en donde sus ncleos estn desplazados por una distancia d, como se observa en el esquema de la figura 5.3.

Figura 5.3 Desalineamiento entre dos fibras pticas del mismo radio.

60


La eficiencia de acoplamiento 1 es la razn del rea de superposicin con respecto al rea del ncleo. Matemticamente se determina como sigue[8]:

=2

1 21

22cos.2

ad

ad

adarc (15)

donde el coseno inverso es calculado en radianes.

La prdida de potencia en decibeles (L1), correspondiente al desplazamiento d se calcula como sigue:

11 10 = LogL (16)

donde L1 es la prdida de potencia en decibeles y 1 es la eficiencia. Para estimar las prdidas de potencia debido al desalineamiento lateral, se supuso desplazamientos entre los ncleos de las fibras pticas menores al 10% del dimetro de las mismas, como se observa en la tabla 5.

Tabla 5.1 Prdidas por desalineamiento lateral. d (m) L (dB)

2.5 0.1404 5 0.2855

10 0.5904

5.4.2 DESALINEACIN ANGULAR La eficiencia de acoplamiento (2) debido a un desalineamiento angular para una fibra multimodo de ndice escalonado, se determina por la siguiente expresin [8]:

NAn= 02 1 (17)

61


Donde n0 es el ndice de refraccin de la sustancia existente entre las dos fibras pticas, el ngulo es el ngulo de desalineacin en radianes y NA es la apertura numrica de la fibra ptica. La prdida de potencia (L2) en dB se determina como sigue:

22 10 = LogL (18)

La eficiencia se evala calculando la superposicin de los conos de transmisin y recepcin, tal como se muestra en la figura 5.4.

Figura 5.4 Desalineamiento angular entre dos fibras pticas.

El cono de transmisin puede determinarse a partir de la

siguiente expresin:

00 = SennNA (19)

Donde NA es la apertura numrica y es el ngulo del cono de transmisin. Dado que entre las fibras pticas se encuentra el aire, entonces n0=1, se considera NA= 0.3 para la fibra ptica de vidrio de 100/140 m.

62


A continuacin se determinan las prdidas de potencia en decibeles para un desalineamiento de hasta 5 grados.

Tabla 5.2 Prdidas por desalineamiento angular. Angulo de inclinacin.

Grados Radianes Eficiencia

() Prdidas

(dB) 2 0.0349 0.9629 0.1642 3 0.0524 0.9444 0.2484 4 0.0698 0.9259 0.3344 5 0.0873 0.9074 0.4220

5.4.3 SEPARACIN ENTRE TERMINALES En la discontinuidad que existe entre fibras pticas emisoras y receptoras, ocurren dos fenmenos diferentes de prdidas de potencia: 1.- En esta discontinuidad existen dos fronteras entre la fibra ptica y el aire, lo que produce una prdida por reflexin en la frontera de aproximadamente un 4% (0.177), de tal manera que entre las dos superficies de frontera vidrio-aire, se contribuye a una prdida total por reflexin de 0.35 dB.

Figura 5.5 Separacin existente entre dos fibras pticas.

2.- Cuando se encuentra un espacio entre dos fibras pticas tal

como se muestra en la figura 5.5, algunos haces de luz transmitidos no son interceptados por la fibra ptica receptora.

Conforme la separacin existente entre ellas aumenta, las

prdidas se incrementan debido a la divergencia del haz radiado por la fibra ptica emisora.

63

Capitulo 5 Caracterizacin del siste

Diseño y Construccion de Un Sensor Optico

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