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ENTRENADOR TRANSDUCTORES DL 2312HG Guía Teórica
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ENTRENADOR TRANSDUCTORES
DL 2312HG Guía Teórica
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INDICE
Capítulo 1. 1 Sistemas Básicos de Control y Terminología Requerida 1
1.1 Sistemas de Lazo Abierto 1
1.2 Sistemas de Lazo Cerrado 2
1.3 Ecuaciones para Sistemas Lazo Abierto 2
1.4 Ecuaciones para Sistemas de Lazo Cerrado 3
1.5 Terminología Asociada a los Transductores 5
1.6 Terminología Asociada a Circuitos Acondicionadores de Señal 6
Capítulo 2. 9 Sistemas de Control a Lazo Cerrado 9
2.1 Sistema Básico de Control a Lazo Cerrado 9
2.2 Características de un Sistema ON/OFF 10
2.3 Características de Control Proporcional 11
2.4 Características de Control Integral 13
2.5 Características de Control Derivativo (Avance de Fase) 14
Capítulo 3. 15 Displays 15
3.1 El Contador/Temporizador (Counter/Timer) 15
3.2 El Display de LED´s desplegable (LED Bargraph) 17
3.3 EL Medidor de Bobina Móvil (M.C.M, Moving Coil Meter) 18
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Capítulo 4. 21 Circuitos Acondicionadores de Señal 21
4.1 Amplificadores 21
4.1.1 Características de un Amplificador DC 21
4.1.2 Características de un Amplificador AC 23
4.1.3 Características de un Amplificador de Potencia 24
4.1.4 Características de un Amplificador de Corriente 25
4.1.5 Características de un Amplificador Buffer 26
4.1.6 Características de un Inversor 27
4.1.7 Características de un Amplificador Diferencial 28
4.2 Circuitos Convertidores de Señal 29
4.2.1 Características de un Convertidor de Voltaje-Corriente 29
4.2.2 Características de un Convertidor de Corriente-Voltaje 30
4.2.3 Características de un Convertidor de Voltaje-Frecuencia 31
4.2.4 Características de un Convertidor de Frecuencia-Voltaje 32
4.2.5 Características de un Rectificador de Onda Completa 33
4.3 Comparadores, Osciladores y Filtros 34
4.3.1 Características de un Comparador 34
4.3.2 Características de un Oscilador de Alarma 36
4.3.3 Características de un Interruptor Electrónico 37
4.3.4 Características de un Oscilador de 40kHz 38
4.3.5 Características de los Filtros 39
4.4 Circuitos de Operaciones Matemáticas 40
4.4.1 Características de los Amplificadores Sumadores 40
4.4.2 Características de un Integrador 41
4.4.3 Características de un Diferenciador 42
4.4.4 Características de un Circuito Sample - Hold 43
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Capítulo 5. 45 Transductores de Entrada 45
5.1 Transductores Resistivos para Aplicaciones de Posición Lineal o Posición Angular 45
5.1.1 Potenciómetro con pista Circular de Carbón 45
5.1.2 Potenciómetro Longitudinal de Carbón 46
5.1.3 Potenciómetro de Alambre 46
5.1.4 Precisión y Continuidad 47
5.2 Circuito Puente de Wheatstone y sus Aplicaciones para Mediciones de Resistencia y Voltaje 48
5.2.1 El Circuito Puente de Wheatstone 48
5.2.2 Circuito para Medición de Resistencia ab 3-Cables 50
5.2.3 Medición de Voltaje utilizando el Método de "balance nulo"
(Método 1 y Método 2) 51
5.2.4 Ventajas del Sistema Entrenador de Transductores 53
5.3 Transductores para Aplicaciones en Sensado de Temperatura 54
5.3.1 Ventajas de los Transductores de Temperatura en el
Sistema Entrenador DL2312HG 54
5.3.2 El Transductor de Temperatura de Circuito Integrado (LM35) 55
5.3.3 Sensores de temperatura de semiconductores 56
5.3.4 El Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) 61
5.3.5 El Termistor Termopar de Temperatura tipo "K" 62
5.4 Transductores para Aplicaciones en Sensado de Luz 63
5.4.1 Ventajas del Entrenador DL 2312 63
5.4.2 La Celda Fotovoltáica 63
5.4.3 El Fototransistor 65
5.4.4 La Celda Fotoconductiva 67
5.4.5 El Fotodiodo PIN 69
5.5 Transductores para Aplicaciones en Mediciones de Posición Lineal y Fuerza 70
5.5.1 El transformador Diferencial de Variable Lineal
(Linear Variable Differential Transformer, LVDT) 70
5.5.2 Características de un Resistor Lineal 73
5.5.3 Strain Gauge (Deformímetro o Galga Extensiométrica) 74
5.6 Transductores para Mediciones Ambientales 76
5.6.1 Flow meters and Flow sensors 76
5.6.2 Transductores de presión 79
5.6.3 Sensores de humedad 83
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5.7 Transductores para Velocidad Rotacional con Aplicaciones en Medición de Posición Angular 91
5.7.1 El Transductor Optoeléctrico de Ranura 91
5.7.2 El Transductor Optoreflexivo 93
5.7.3 El Transductor Inductivo 96
5.7.4 El Transductor de Efecto Hall 97
5.7.5 El Tacogenerador CC, de Imán Permanente 99
5.8 Sensores Transductores de Sonido 101
5.8.1 El Micrófono Dinámico 101
5.8.2 El Receptor Ultrasónico 103
Capítulo 6. 105 Transductores de Salida 105
6.1 Transductores para Sonido 105
6.1.1 El Altavoz de Bobina Móvil 105
6.1.2 El Transmisor Ultrasónico 106
6.1.3 El Buzzer 107
6.2 Transductores de Salida para el Movimiento Angular o Lineal 108
6.2.1 El Solenoide de DC 108
6.2.2 El Relevador de DC 110
6.2.3 La Válvula de Aire Electrónica 112
6.2.4 El Motor DC de Imán Permanente 114
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Capítulo 1 Sistemas Básicos de Control
1.1 Sistemas de Lazo Abierto La figura 1.1 representa un diagrama a bloques para un sistema de lazo abierto. Una señal entrada de referencia o señal de control, excita un actuador que opera sobre la variable controlada generando así una señal de salida.
Figura 1.1
La magnitud en la señal de salida, depende de la magnitud de la señal entrada de referencia. Aunque la señal de salida depende en forma directa de la entrada, la magnitud de salida puede estar variando debido a los cambios externos o internos del sistema. Por ejemplo, en un sistema de calefacción para una habitación, los incrementos constantes en la temperatura que genera el calentador, producirían a su vez cambios consecuentes en la temperatura de la habitación. Sin embargo la temperatura real dependerá además, de la temperatura ambiente fuera del cuarto, de si las puertas y ventanas se encuentran abiertas o cerradas.
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1.2 Sistema de Lazo Cerrado La figura 1.2 muestra un diagrama a bloques básico de un sistema de lazo cerrado: esta constituido de una cadena de eventos continuos y una cadena de retroalimentación.
Figura 1.2
Este sistema compara el valor real de la señal de salida con el valor que se desea imponer, utilizando la diferencia (error) entre ellas para modificar la señal de salida en un sentido tal que la salida error tienda a desaparecer. De esta forma el sistema tiende a mantener una magnitud de salida constante para una señal de referencia fija. La señal de retroalimentación se resta de la señal referencia, obteniendo la señal error, razón por la cual el sistema tiene una retroalimentación negativa. La señal de referencia necesaria para una señal de salida requerida, deberá ser superior para que la operación correspondiente no genere una retroalimentación negativa, reduciendo así, la ganancia global del sistema. 1.3 Ecuaciones para Sistemas de Lazo Abierto
Salida: Vsal = G Vent Ganancia (gain) = G
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GH
GGain
1
1.4 Ecuaciones para Sistemas de Lazo Cerrado
Factor de atenuación = H Señal Error = Vent–H Vsal Salida Vsal = G(Vent–HVsal)=GVent–GH Vsal
1
sal sal ent
sal ent
V GHV GV
V GH GV
1sal
ent
V G
V GH
Esto es:
La ganancia por lo tanto desciende y si G es muy grande, la ganancia se vuelve aproximada.
1GGain
GH H
Por tanto, la ganancia solo depende del factor de atenuación H, en la retroalimentación. La figura 1.3 muestra el diagrama a bloques de sistema práctico de lazo cerrado. Se aprecia el bloque "acondicionador de señal" en diversos puntos, por ejemplo entre, el detector de error y el actuador, entre el sensor de salida y el detector de error, y entre el display y el sensor.
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Figura 1.3
La razón del acondicionador de señal en estos intervalos, es valida porque permite acoplar dichas etapas a través de amplificar, atenuar, filtrar, o convertir (analógico/digital AC/DC etc.) su señal de salida, adecuándola a la siguiente entrada, con la finalidad de obtener mayor exactitud a la salida. En particular, los procesos industriales pueden tener más de una variable controlada, como consecuencia, cada variable tendrá su propio sistema de control a lazo cerrado. La variable controlada puede ser:
De Posición (Angular o Lineal)
Temperatura
Presión
Flujo de Aire
Humo
Velocidad
Aceleración
Nivel de Luminosidad
Nivel de Sonido
El sistema de control puede manejarse usando principios de neumática, hidráulica, o eléctrica, valiéndose de sensores que midan la variable controlada y entreguen una señal de salida adecuada al sistema en uso. .
Usualmente, debe de realizarse una conversión entre los diversos sistemas de energía. El dispositivo capaz de realizar la conversión es el TRANSDUCTOR. Siendo así, los sensores son transductores de entrada y los actuadores son transductores de salida.
El Sistema Entrenador de Transductores DL 2312HGHG, es un sistema eléctrico que incluye una gran variedad de sensores, actuadores, circuitos acondicionadores de señal y dispositivos de visualización. El DL 2312HGHG utilizado con éste manual, introducirá al estudiante a los principios básicos y a las características de una buena parte de los transductores, dando una aplicación practica a los sistemas de control de lazo cerrado. NOTE: Antes de conectar el Sistema Entrenador DL 2312HG la primera vez, asegúrese de que el
voltaje que marca el equipo en su parte posterior, corresponda con la alimentación que utilizará.
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1.5 Terminología Asociada a los Transductores Transductores: Dispositivo que cambia una forma de energía en otro. Sensor: Dispositivo que captura la magnitud de una variable en un sistema.
Usualmente también transforma la magnitud medida en otro tipo de energía y por lo tanto, también es un transductor.
Actuador: Dispositivo capaz de proporcionar una salida coherente de acuerdo a
la entrada que recibe, aunque la entrada y salida pertenezcan a distintos sistemas de energía.
Acondicionador: Dispositivo capaz de proporcionar una salida coherente de acuerdo a
la entrada que recibe, perteneciendo ambas al mismo sistema de energía.
Sensibilidad: Grado de respuesta de un dispositivo a la magnitud de entrada. Resolución: Pequeña variación a la entrada que genera una variación perceptible a
la salida. Ancho de banda: Intervalo de frecuencias correspondientes a una señal, en el que un
dispositivo o circuito es capaz de funcionar, proporcionando una salida dentro de su rango de especificación.
Función de Transferencia: Función Matemática entre dos variables relacionadas entre sí.
Comúnmente expresa la relación entre la entrada y la salida de un sistema.
Lineal: Relación entre dos cantidades que tienen una proporcionalidad
constante. Tiempo de Respuesta: Tiempo que tarda un dispositivo en alcanzar su salida nominal al ser
excitado por una señal entrante.
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1.6 Terminología Asociada a Circuitos Acondicionadores de Señal Amplificador: Circuito en el que la entrada y la salida se relacionan de un modo
lineal. El circuito puede operar tanto en CC como en CA. Offset: Desviación que sufre la salida de un amplificador CC, con la entrada a
cero, debido a su tolerancia. Ganancia: Razón entre la salida y la entrada de un amplificador. Atenuador: Circuito cuya entrada y salida es lineal y su presenta una ganancia
menor a la unidad. Amplificador AC: Amplificador exclusivo para señales alternas. Amplificador Diferencial: Amplificador de Voltaje con dos entradas, cuya tensión de salida es
proporcional a la diferencia de tensiones de sus entradas. Amplificador Sumador: Amplificador de Voltaje con entradas múltiples, cuya salida es la
suma algebraica de todas las entradas aplicadas. Inversor: Amplificador de Voltaje de ganancia unitaria, cuya salida es igual al
valor de entrada, pero su polaridad es opuesta. Amplificador de Potencia: Amplificador con una gran cantidad de corriente a la salida. Comparador: Circuito con dos entradas A y B, donde su salida será 0 o +V de
saturación, dependiendo de cual de sus entradas es mayor. Oscilador: Circuito que produce una salida alterna a una frecuencia determinada. Oscilador de Alarma: Circuito con entrada CC y salida AC. Cuando la entrada esta por
debajo de cierto nivel, la salida es cero. Cuando la entrada excede un valor crítico se obtiene una salida de tensión alterna.
Histéresis: La diferencia en los niveles de voltaje a la entrada (uno que sube y
otro que baja) de un dispositivo provocan el cambio en la salida. Filtro: Circuito diseñado para permitir el paso solamente a señales de una
frecuencia determinada. Filtro Pasa Bajo: Circuito que permite el paso de señales de baja frecuencia, bloqueando
el paso de las frecuencias más altas. Filtro Pasa Alto: Circuito que permite el paso de señales de alta frecuencia, bloqueando
el paso de las frecuencias más bajas. Filtro Pasabanda: Circuito que permite el paso de señales de cierto rango de frecuencia e
impide el paso de señales de frecuencias más altas y más bajas.
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Rectificador de onda Completa: Circuito que convierte una forma de onda alterna en una forma de
onda unidireccional o de CC. Convertidor V/F: Circuito que convierte una tensión de entrada CC, en tensión alterna,
siendo la frecuencia dependiente de la tensión de entrada CC. Convertidor F/V: Circuito que convierte una tensión de entrada alterna en tensión de
salida continua, siendo proporcional el valor de la tensión de salida a la frecuencia de la tensión de entrada.
Convertidor V/I: Circuito que transforma una tensión continua de entrada en una
corriente de salida, dependiendo ésta linealmente de la tensión de entrada.
Convertidor I/V: Circuito que convierte una corriente de entrada en una tensión de
salida, dependiendo ésta linealmente de la corriente de entrada. Integrador. Circuito que tiene una tensión de salida proporcional al producto de la
tensión de entrada por el tiempo. Diferenciador: Circuito que tiene una tensión de salida proporcional a una variación
de la tensión de entrada. Circuito Sample-Hold (Muestreo-Retención): Circuito cuya salida presenta el último valor de la tensión de entrada
hasta que ésta tome una nueva muestra (sample). Ultrasonido: Frecuencia por encima del margen audible normal y, por lo tanto,
inaudible al oído humano. (Normalmente > 16KHz)
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Capítulo 2 Sistemas de Control a Lazo Cerrado
2.1 Sistema Básico de Control a Lazo Cerrado La figura 2.1 muestra un sistema de control a lazo (bucle) cerrado. La diferencia entre el valor actual de la variable controlada y el valor esperado, genera un error. Esta señal error entra al controlador activando el actuador de retroalimentación que a su vez tenderá a reducir el error a cero.
Figura 2.1
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2.2 Características de un Sistema ON/OFF En este sistema, el controlador tiene solo dos estados: 1. Con el valor de la variable controlada menor al esperado, la salida del controlador es máxima. 2. Con el valor de la variable controlada mayor al esperado, la salida del controlador es cero. Este método de control es apropiado para sistemas que tienen una constante de tiempo grande, tal como el control de temperatura de una sala. Las curvas características de este método están reflejadas en la figura 2.2.
Figura 2.2
Inicialmente, el calentador estará en ON y la temperatura subirá de manera exponencial desde su estado ambiente. Cuando se alcance la temperatura deseada, el calentador cambiará a OFF. La temperatura seguirá subiendo por inercia hasta agotar la energía acumulada, momento en el que iniciará el descenso. Cuando la temperatura haya caído por debajo del valor deseado, el calentador nuevamente cambiará a ON, pero la temperatura continuará descendiendo hasta que se haya acumulado la energía suficiente para iniciar el ascenso de nuevo. La característica resultante será como se muestra en la figura 2.2, con la temperatura variando continuamente entre los dos limites, siempre que no haya cambio en las condiciones de funcionamiento
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2.3 Características de Control Proporcional Con este sistema de control, la salida desde el controlador es proporcional a la magnitud de la señal error. Salida del Controlador = Kp x Error donde Kp = ganancia proporcional. La característica del sistema depende del valor Kp. Para valores de ganancia grandes, las características serán similares a las del control ON/OFF. Para valores de ganancia pequeños, el sistema tardará mucho en responder y será lento. Las características básicas se ilustran en la figura 2.3.
Figura 2.3
La figura 2.3 muestra las características de control proporcional en respuesta a un cambio de entrada en escalón e ilustra que una ganancia alta, motiva una respuesta rápida pero, sobrepasa mucho el valor de referencia deseada y sufre grandes oscilaciones alrededor de este valor. Una ganancia media da lugar a una respuesta más lenta con un menor sobreimpulso y menos oscilaciones, una composición de ganancia baja motiva una respuesta lenta sin oscilaciones, imposibilitándose para alcanzar el valor de referencia. Una característica con oscilaciones que disminuyen en amplitud con el tiempo se denomina "amortiguada".
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Las características como las de ganancia media y alta de la figura 2.3, se le conoce como “subamortiguada” y las de ganancia baja “sobreamortiguada”. Una característica que se eleva de forma exponencial al valor de la referencia sin sobrepeso se denomina "críticamente amortiguada". El grado de amortiguamiento es usualmente representado por la letra griega (zeta), siendo = 1 cuando el control es críticamente amortiguado; > 1 cuándo es sobreamortiguado; y < 1 al ser subamortiguado.
Figura 2.4.
La figura 2.4, muestra la respuesta de un sistema de control, proporcional a una entrada que varía con el tiempo (entrada rampa). La salida tiende a seguir a la entrada pero, debido al rozamiento dentro del sistema, el error entre la entrada y salida tiene que aumentar lo suficiente para que la señal de mando del actuador dé origen a una variación en la salida. La salida siempre seguirá a la entrada, pero será retardada respecto a ésta. Este fenómeno se denomina "retraso de velocidad". El valor de este retraso dependerá de la ganancia del sistema, del rozamiento y de la carga de salida. Puede haber oscilaciones en la característica de salida, en función de la ganancia del sistema.
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Esta característica demuestra que el control proporcional por si solo, no es recomendable en aplicaciones donde la entrada varía con el tiempo, esto es debido a que ambas señales, la de mando y la de error, son dependientes una de otra, un aumento en la señal error será proporcional a la señal de mando. El error aumenta a medida que la carga es mayor. El método proporcional, en sí mismo, es inapropiado en aplicaciones de control. En la práctica, debido a los efectos de saturación dentro del sistema, la salida del controlador será proporcional al error sólo en una parte del rango total. Esto se ilustra en la figure 2.5, el periodo donde la salida es proporcional al error, se le conoce como " banda proporcional".
Figura 2.5.
2.4 Características de Control Integral El control integral puede usarse para eliminar cualquier error presente entre la referencia y la salida real. Un elemento integrador produce una salida proporcional al producto de la entrada por el tiempo, de modo que si la señal error entra al integrador, su salida aumentará con el tiempo. La rapidez para corregir el error dependerá de la constante de tiempo del sistema. Usualmente, el control integral se combina con el control proporcional, siendo éste último el mando principal y el control integral se conserva para ajustes finales de salida.
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2.5 Características de Control Derivativo (Avance de Fase). Dentro de un sistema de control proporcional, las perdidas por fricción producen amortiguamiento y una mayor ganancia. Sin embargo a mayor rozamiento mayor son las perdidas de potencia y a su vez, mayor será el tiempo de respuesta. Si aumentamos la ganancia del sistema este puede hacerse inestable a la vez que aumenta su rapidez. Aplicando un tipo de control derivativo se contrarresta el factor de inestabilidad, ya que en este caso, la señal error es directamente proporcional a las variaciones de salida e inversamente proporcional al tiempo. Las figuras 2.6a, y 2.6b. Ilustran este método.
Figura 2.6a
Figura 2.6b
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Capítulo 3 Displays
3.1 El Contador/Temporizador (Counter/Timer)
Figura 3.1
El Counter/Timer, o contador/temporizador, es un instrumento de visualización, localizado en la parte superior derecha del panel de control DL 2312HG. Incluye 3 displays de 7 segmentos, un botón "reset" y dos interruptores que trabajan en tres modos diferentes: 1. Mediciones de tiempo, seleccionando los controles en posición "Time" y "Free run".
2. Como Contador, seleccionando los interruptores en "Count" y "Free run".
3. Mediciones de Frecuencia (a 500 Hz), con los controles colocados en "Count" y "1s".
Además con algunos acondicionadores de señal como los que se verán en el siguiente capítulo, el Counter/Timer puede funcionar como medidor de voltaje. La Tabla siguiente resume alguna de sus características principales.
Impedancia de Entrada = 1MNivel de Voltaje de Entrada (TTL) = +5V Max Rango de Contéo = 0 - 500Hz max Intervalos de Tiempo = 10ms Precisión de Tiempo = 5%
Tabla 3.1
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(1) Cuando se usa en aplicaciones para medición de Tiempo.
(Control en posición "Time”). En este modo el sistema activa un oscilador de 1Hz, el contador avanza cada segundo (1s) desde 0 hasta 999 (escala completa).
(2) Cuando se usa en aplicaciones de Contadores.
(Controles en posición "Count" y "Free run"). En este modo el contador avanza cada vez que el voltaje de entrada en una transición de voltaje de un nivel lógico “0” a un nivel “1" (TTL), que implica, recibir un pulso positivo de 5V.
(3) Cuando se usa en mediciones de frecuencia o vueltas.
(Controles en posición “Count” y "1s"). En este modo de operación la unidad de contéo, mide él número de impulsos positivos recibidos a la entrada en un segundo. La lectura indicará él número de vueltas o la frecuencia directamente en Hz. Observe que el valor máximo que es especificado para este tiempo de contéo es 500Hz, como máximo.
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3.2 El display de LED´s, desplegable (LED bargraph) Este es un dispositivo diseñado para indicar un nivel variable de voltaje. La construcción del dispositivo se muestra en la figura 3.2. Consiste básicamente de 10 diodos emisores de luz (LED) dispuestos en linea de tal manera que con un nivel de señal bajo solo encenderan uno o dos leds al inicio de la linea y conforme se eleva el nivel de la señal tambien aumenta el numero de leds encendidos.
Figura 3.2
Un circuito integrado se encarga de controlar el dispositivo adaptado al sistema entrenador DL 2312HG. El nivel de voltaje entre los LED´s adyacentes es de 0.5V. De tal forma que 5V, es el mínimo voltaje requerido para encender él ultimo LED de la barra.
El dispositivo tiene una alta impedancia a la entrada y una constante de tiempo baja, su resolución le permite indicar el nivel de las variaciones en voltaje de forma aproximada. Las características principales de éste display de LED´s se indican en la siguiente tabla.
Impedancia de Entrada = 10M Indice de tensión de entrada (-12V a+12) Ajustado a 5V fondo de escala Precisión = 2%,
Tabla 3.2
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3.3 El Medidor de Bobina Móvil (Moving Coil Meter). El medidor M.C.M (por sus siglas en ingles), esta constituido básicamente de una bobina rectangular de hilo conductor suspendido entre los polos de un imán permanente ligado a una aguja que se desplaza a través de la escala del medidor. El cuadro o bobina permanece en posición central por dos resortes en espiral, cuya fuerza antagonista se equilibra por el tornillo de "ajuste a cero" que determina la posición inicial de la aguja.
Figura 3.3
Cuando se aplica una corriente a la bobina a través de los resortes, se produce un campo magnético que reacciona con el campo del imán permanente, produciendo una rotación de la bobina y por tanto variación en la aguja. La dirección de la rotación depende de la polaridad de la corriente que pasa, y el ángulo de rotación de la cantidad de flujo de corriente. La bobina gira hasta que la fuerza producida por la corriente se balancea por la fuerza de recuperación de los resortes.
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La bobina esta enrollada a un carrete de aluminio de modo que éste se mueva dentro del campo magnético, produciendo una fuerza electromotriz (f.e.m) que tiende a amortiguar el movimiento de la bobina. Este efecto, junto con la inercia del conjunto, limita la velocidad de respuesta del indicador. Los resortes en espiral son buenos para permitir un gran movimiento angular, de aquí que el flujo de corriente en el circuito del medidor se limite a valores bajos. Cuando se usa como voltímetro, se requiere una resistencia en serie que limite la corriente a un valor que produzca la deplexión de la aguja hasta la escala total predeterminada. Las características fundamentales del medidor m.c.m, adaptado al sistema entrenador DL 2312HG, son las siguientes:
Corriente (escala total) = 500 A Sensibilidad = 3000 /V Resistencia (Circuito Total) = 15k Precisión = Clase 1.5
Tabla 3.3
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Capítulo 4 Circuitos Acondicionadores de Señal
4.1 Amplificadores
4.1.1 Características de un Amplificador DC
Figura 4.1
El símbolo representativo utilizado para los amplificadores de corriente continua se muestra en la figura 4.1. El dispositivo consta de diversas etapas acopladas de amplificación en DC, disponible tanto para señales DC como AC. El cociente entre la amplitud de la señal de salida y la amplitud de la señal de entrada, se le conoce ganancia del circuito. Con la entrada de este amplificador a cero, la salida debería ser cero, pero la práctica demuestra que para lograrlo se requiere de un ajuste "offset" desde cero. Se da un "control offset" para contrarrestar el efecto. Dicho control esta ajustado, con la entrada a cero, y lograr colocar la salida a cero. La especificación de un amplificador, usualmente indica el voltaje de entrada "offset" del dispositivo. Este representa la diferencia en voltaje en las dos conexiones de entrada, requeridas para producir cero a la salida del amplificador. La segunda conexión de entrada no es accesible para los amplificadores dados en el sistema entrenador DL 2312HG.
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El DL 2312HG, proporciona diversos circuitos amplificadores de DC, pero solo tres de estos están diseñados específicamente en aplicaciones de amplificación, siendo estas las siguientes:
1. El amplificador 1 que tiene un control de ganancia variable de 0.1 a 100 aproximadamente. Este amplificador tiene un control "offset".
2. El amplificador 2 con características iguales a las del amplificador 1. 3. El amplificador x100 tiene una ganancia fija de aproximadamente 100 y no tiene ajuste de
offset. Los amplificadores pueden conectarse en cascada para incrementar la amplificación total si esta es necesaria. Nota: El voltaje de salida que pueden proporcionar estos amplificadores no debe exceder al valor
de saturación que en turno, siempre es inferior al voltaje de alimentación. En este caso el voltaje de salida del sistema DL 2312HG esta limitado aproximadamente a un máximo de 10V.
Algunas de las especificaciones que dichos amplificadores tienen son las siguientes:
Amplificador 1 y 2 Voltaje de Entrada 12V max
Error de ganancia en voltaje 30% max Impedancia de Entrada 100K Voltaje de ruido a la salida 10mV Amplificador x 100 Voltaje de Entrada 12V max
Ganancia de Voltaje 100 Error de ganancia en voltaje 4% Voltaje de ruido a la salida 30mV max Impedancia de Entrada 100K
Tabla 4.1
DL 2312HG
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4.1.2 Características de una Amplificador AC
Figura 4.2
El símbolo básico para un amplificador AC, esta indicada por la figura 4.2. Los capacitores indicados a la entrada y a la salida eliminan algún nivel de DC y, por lo tanto, no existen problemas de ajuste offset en DC con estros amplificadores. El amplificador de AC dado por el sistema DL 2312HG cuneta con tres ganancias fijas, de 10, 100 y 1000. Sus características principales son las siguientes:
Voltaje de Entrada (max.) 12V Ancho de Banda -6dB (Interruptor a 1000) 10-16000Hz Ganancia a 40KHz (Interruptor a 1000) 225 Voltaje de ruido a la salida (Interruptor a 1000) 100mV
Tabla 4.2.
DL 2312HG
24 ver a20131207
4.1.3 Características de un Amplificador de Potencia
Figure 4.3
El símbolo básico para un amplificador de potencia se indica en la figura 4.3, es igual al amplificador DC. La característica principal de un amplificador de potencia, es la intensidad de salida que puede dar. El dispositivo incluido en el DL 2312HG tiene una ganancia unitaria y una salida con un máximo de corriente del orden de 1.5A. Otras de sus características se indican en la siguiente tabla:
Voltaje de Entrada 12V Max Impedancia de Entrada 100K Corriente de Salida 1.5 A Potencia de Salida 9W Frecuencia Superior -3dB 10-16000 Hz
Tabla 4.3.
DL 2312HG
ver a20131207 25
4.1.4 Características de un Amplificador de Corriente
Figura 4.4
El simbolo de la figura 4.4, muestra un amplificador de corriente. El amplificado básicamente transforma una corriente de entrada a un voltaje de salida. El dispositivo correspondiente para el DL 2312HG esta dedicado para utilizarse con el fotodiodo, dando un voltaje de salida de 10,000 veces la corriente de entrada, es decir un máximo de 10V para una corriente de 1mA. Los datos principales para este amplificador son:
Corriente de Entrada 1mA Relación de Transferencia 10,000 V/A
Tabla 4.4
DL 2312HG
26 ver a20131207
4.1.5 Características de un Amplificador Buffer
Figura 4.5
La representación simbólica de los amplificadores, no varía, como lo es en el caso de un amplificador Buffer. Este amplificador tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, por lo tanto, el buffer se coloca entre dos dispositivos a modo de acoplarlos, uno que presente alta impedancia de salida y otro que tenga baja impedancia de entrada, como se muestra en la figura 4.6.
Figura 4.6
Sus características son muy similares a las de un amplificador de potencia, pero tiene una capacidad en corriente mucho más baja (del orden de 20mA máximos para el dispositivo dado en el DL 2312HG). El sistema DL 2312HG, cuenta con dos Bufferes de amplificación, Buffer 1 y Buffer 2 cuyas características son las siguientes:
Voltaje de Entrada 12 V max Impedancia de Entrada 100K Voltaje offset de Entrada 300V Ganancia en Voltaje 1.00
Tabla 4.5
DL 2312HG
ver a20131207 27
4.1.6 Características de un Inversor.
Figura 4.7
Un amplificador inversor, como su nombre lo indica, cambia la polaridad del voltaje de entrada. El dispositivo dado para el DL 2312HG tiene una ganancia de voltaje unitaria. Los datos principales del Inversor son los indicados:
Voltaje de Entrada 12V Max Ganancia de Voltaje -1 Impedancia de Entrada 100K Voltaje offset de entrada 300 V
Tabla 4.6
DL 2312HG
28 ver a20131207
4.1.7 Características de un Amplificador Diferencial
Figura 4.8
El simbolo de un amplificador diferencial se muestra en la figura 4.8. El voltaje de salida del dispositivo depende de la diferencia entre los voltajes aplicados en sus dos entradas. Para el dispositivo dado en el DL 2312HG, el voltaje de salida esta dado por (VA - VB). Se dan dos circuitos amplificadores diferenciales, el segundo esta diseñado como “Amplificador de Instrumentación." Este hace la misma operación que un amplificador diferencial, pero tiene incluida una ganancia en modo común y presenta la misma impedancia en ambas entrada. La siguiente tabla resume las características de este dispositivo:
Amplificador Diferencial Voltaje de Entrada 12V max. Ganancia Diferencial 1.0 Ganancia en modo común 0.02 max Impedancia de Entrada (Entrada A) 200K Impedancia de Entrada (Entrada B) 100K
Amplificador de Instrumentación
Voltaje de Entrada 12V max
Ganancia Diferencial 1.0 Ganancia en modo común 0.006 max Impedancia de Entrada (Entrada A) 100 K Impedancia de Entrada (Entrada B) 100 K
Tabla 4.7
DL 2312HG
ver a20131207 29
4.2 Circuitos Convertidores de Señal 4.2.1 Características de un Convertidor de Voltaje - Corriente
Figura 4.9
En la figura 4.9 se visualiza el simbolo para el convertidor "voltaje-corriente". Su función es transformar el voltaje aplicado a la entrada, en una corriente a la salida. Las características del dispositivo adaptadas al sistema DL 2312HG son:
Rango de Voltaje a la Entrada 2V Rango de Corriente a la Salida 20 mA Max. Relación de Transferencia 10mA/V
Tabla 4.8
DL 2312HG
30 ver a20131207
4.2.2 Características de un Convertidor de Corriente-Voltaje
Figura 4.10
En la figura 4.10 se puede ver el simbolo para el convertidor "Corriente-Voltaje". La transformación en este caso es, obtener de alguna corriente a la entrada, un voltaje proporcional a la salida. En el DL 2312HG diseño éste convertidor, como complemento del convertidor V/I, descrito previamente. Las características principales se mencionan a continuación:
Rango de Corriente a la Entrada = 20mA (100mA max) Rango de Tensión de Salida = 2V (6V max) Relación de Transferencia 0.1 V/mA
Tabla 4.9
DL 2312HG
ver a20131207 31
4.2.3 Características de un Convertidor Voltaje - Frecuencia (V/F)
Figura 4.11
La figura 4.11 indica el simbolo para el convertidor "Voltaje-Frecuencia". Este dispositivo transforma un voltaje de entrada en una frecuencia de salida, siendo la frecuencia proporcional al voltaje de entrada. La forma de onda en la salida es rectangular. Las características principales del dispositivo dado con el Entrenador de Transductores son:
Tipo de Circuito Integrado LM331 Voltaje de Entrada 12V Max. Relación de Transferencia 1KHz/V Frecuencia Máxima 10KHz No lineal en 0.024% escala total característica 0.14% max.
Tabla 4.10
DL 2312HG
32 ver a20131207
4.2.4 Características de un Convertidor de Frecuencia - Voltaje
Figura 4.12
La figura 4.12 muestra el simbolo utilizado para el convertidor de "Frecuencia -Voltaje" Este dispositivo transforma una señal de entrada a un voltaje de salida proporcional a la frecuencia de la señal de entrada. La unidad F/V montada en el sistema entrenador, es complemento de la unidad de conversión V/F, cuyas características son las siguientes:
Frecuencia de Entrada 10kHz Max. Relación de Transferencia 1V/kHz Constante de Tiempo 100 ms Tiempo de Ajuste 0.7s Precisión 0.1% Rizado de Salida 10mV Impedancia de Salida 100k
Tabla 4.11
DL 2312HG
ver a20131207 33
4.2.5 Características de un Rectificador de Onda Completa
Figura 4.13
El rectificador de onda completa convierte una señal de entrada de cualquier polaridad, en una señal DC con polaridad positiva, siendo el valor de éste, similar al valor absoluto de la señal de entrada. El circuito permite mediciones de voltajes de señal alterna mediante instrumentos de DC. Las características principales del dispositivo dado con el Entrenador DL 2312HG son:
Voltaje de Entrada 12V Max Error del Voltaje de Salida 2% 6% Max.
Tabla 4.12
DL 2312HG
34 ver a20131207
4.3 Comparadores, Osciladores y Filtros.
4.3.1 Características de un Comparador.
Figura 4.14
El símbolo de un comparador, como se ve en la figura 4.14, es similar al de un amplificador diferencial, sin embargo, sus características difieren. El voltaje de salida puede tener dos posibles estados:
1. Con el voltaje de entrada A B, la salida es aproximadamente +12V.
2. Con el voltaje de entrada A < B, la salida es aproximadamente 0V. Con los dos voltajes casi iguales, alguna leve variación puede causar que el voltaje de salida cambie de un estado a otro, bajo estas condiciones el circuito es inestable. Para solucionar el problema, el circuito modifica las condiciones; el voltaje A subirá un cierto valor respecto a B, logrando la conmutación de 0 a 12V, así mismo en el descenso, el voltaje en A caerá un cierto valor debajo de B, antes que el circuito cambie nuevamente. A este fenómeno se le denomina "histeresis" y para diferenciarle entre los voltajes, se le conoce como voltaje de histeresis.
DL 2312HG
ver a20131207 35
Esto se ilustra en la figura 4.15
Figura 4.15
Sin histéresis, el voltaje A varía con relación al voltaje de conmutación, y los cambios en la condición de salida, son muy frecuentes. Con histéresis las pequeñas variaciones alrededor del voltaje de conmutación no producirán un cambio de estado en la salida. Se necesita una variación considerable en voltaje, para causar la conmutación del circuito. Las características principales del dispositivo dado con el Entrenador DL 2312HG son:
Voltaje de Entrada +12V Max Voltaje offset de Entrada 9 mV Voltaje de Salida (sin carga) +12V o 0V Histéresis (Interruptor Encendido) 4.2V
Tabla 4.13
DL 2312HG
36 ver a20131207
4.3.2 Características de un Oscilador de Alarma.
Figura 4.16
La figura 4.16 muestra el símbolo de un oscilador de alarma. El oscilador de alarma, consta básicamente de dos etapas; tiene un circuito de entrada que es un comparador y un oscilador. Con un voltaje de entrada bajo, el oscilador no se activa, solo lo hace siempre y cuando el voltaje de entrada exceda el valor fijado por los componentes del circuito. Con el interruptor "latch" en la posición (OFF), el oscilador se activará o desactivará dependiendo si el voltaje de entrada esta arriba o abajo del valor de conmutación reajustado. Con el interruptor "latch" en posición (ON), cuando el oscilador se activa y el voltaje de entrada llega a exceder al valor de conmutación, el oscilador permanece conectado independientemente al voltaje de entrada, hasta que el voltaje de alimentación se apague. La unidad usa una señal de alarma cuando el valor de un parámetro controlado, excede un nivel predeterminado. Sus características principales dadas para el Entrenador DL 2312HG son:
Voltaje de Entrada 12V Max. Voltaje de cierre en el Interruptor 2.3V Frecuencia del Oscilador 540Hz Impedancia de Salida 4K
Tabla 4.14
DL 2312HG
ver a20131207 37
4.3.3 Características de un Interruptor Electrónico
Figura 4.17
La figura 4.17 representa al interruptor electrónico. Básicamente consiste de un comparador que controla un transistor de potencia y activa un interruptor estático. Para un voltaje de entrada bajo, el interruptor esta abierto, mientras que para un voltaje arriba del valor, el interruptor se cierra.
Entrada (V)
Salida (V)
12 2 - 12 - 2
Características principales del dispositivo dado con el Entrenador DL 2312HG son:
Voltaje de Entrada 12V Max. Voltaje en el cierre del interruptor 2.1V Corriente de Salida 1 A
Tabla 4.15
DL 2312HG
38 ver a20131207
4.3.4 Características de un Oscilador de 40 KHz.
Figura 4.18
La figura 4.18 muestra el simbolo del oscilador de 40KHz oscilador. El oscilador de 40KHz produce una salida senoidal con una frecuencia aproximada a los 40KHz para usar con el transductor de AC dado con el sistema de entrenamiento DL 2312HG. Las características principales del dispositivo son:
Frecuencia de Salida 41093 Hz característico Amplitud de Salida 6 Vpp Impedancia de Salida 1.1 K
Tabla 4.16
DL 2312HG
ver a20131207 39
4.3.5 Características de los Filtros. Básicamente son dos tipos de filtros de acuerdo al rango de paso de frecuencia:
1. Filtro Pasa Banda, permite el paso de frecuencias que están dentro de cierto rango. En el caso del sistema entrenador, el filtro es de 40KHz.
2. Filtro Pasa Bajo, permite el paso de frecuencias que están por debajo de cierto valor.
En la figura 4.19 se muestran los símbolos para representar los dos tipos de filtros:
Figura 4.19
Las líneas en forma de onda representan el rango de frecuencias afectadas por el filtro. La línea superior simboliza las frecuencias más altas, y la inferior, las frecuencias más bajas. La forma de onda tachada, representa el rango de frecuencia que no pasa a través del filtro. Las características principales de los filtros son:
Filtro de 40Khz: Frecuencia Central 41093 Hz Factor de Atenuación (Frecuencia Central) 2 Factor de Atenuación (55Hz) 1667 Factor de Atenuación (1MHz) 1059 Impedancia de Entrada 10K Impedancia de Salida 10K
Filtro Pasa Bajo: Voltaje de Entrada 12V Max Constante de Tiempo 10ms, 100ms, 1s Frecuencias de Corte 15Hz, 1.44Kz y 0.14Hz Impedancia 1M
Tabla 4.17
DL 2312HG
40 ver a20131207
4.4 Circuitos de Operaciones Matemáticas
4.4.1 Características de un Amplificador Sumador
Figura 4.20
La figura 4.20 muestra el simbolo de un amplificador sumador con tres entradas. El voltaje a la salida, es el proporcional a la suma algebraica de los voltajes aplicados a la entrada, sin embargo, el voltaje de salida esta limitado hasta cierto rango de valores máximos. El valor máximo esta limitado por el voltaje en el circuito de alimentación, que es de aproximadamente de 10V para el Entrenador DL 2312HG. Las características principales de éste dispositiv son:
Voltaje de Entrada 12V Max Ganancia en Voltaje 1.0 Voltaje de Salida VA+VB+VC 10V Max.
Tabla 4.18
DL 2312HG
ver a20131207 41
4.4.2 Características de un Integrador
Figura 4.21
La figura 4.21 muestra el simbolo que representa al integrador en el sistema DL2312HG. Un circuito integrador tiene una entrada y una salida. El voltaje de salida es proporcional al voltaje de entrada multiplicado por el tiempo. En términos matemáticos la salida es la integral del voltaje aplicado a la entrada, con respecto al tiempo. En un voltaje de entrada constante, el voltaje de salida se incrementará en forma lineal, a intervalos de tiempo iguales, a este periodo se le conoce como constante de tiempo del circuito. El valor máximo posible del voltaje de salida esta limitado por el voltaje de alimentación y es aproximadamente de 11V para el dispositivo dado. Las características principales del dispositivo dado en el Entrenador DL 2312HG son:
Constante de Tiempo 100ms, 1s & 10s Impedancia de Entrada 100K Voltaje de Saturación a la salida 11 V Aprox. Error de Ganancia 1%
Tabla 4.19
DL 2312HG
42 ver a20131207
4.4.3 Características de un Diferenciador
Figura 4.22
En la figura 4.22 se observa el simbolo para el diferenciador. El circuito diferenciador tiene una entrada y una salida, su salida, en términos matemáticos, es proporcional a la derivada del voltaje de entrada con respecto al tiempo. Como en el circuito integrador, tiene una constante de tiempo asociada, para que el voltaje de salida actual, llegue a ser la variación del voltaje de entrada, multiplicado por la constante de tiempo.
Figura 4.23
DL 2312HG
ver a20131207 43
El circuito puede usarse en aplicaciones de corrección de pulso, transformando una forma de onda cuadrada, en una serie de pulsos, variantes en el tiempo, como lo ilustra la figura 4.23. Un cambio repentino en el voltaje de entrada, produce un cambio similar en la salida, limitado por el voltaje de saturación del circuito diferencial. Para un voltaje de entrada constante, el voltaje de salida cae exponencialmente, dependiendo de la rapidez de caída de la constante de tiempo del circuito. El voltaje de salida cae a cero, en un tiempo similar a 5 veces la constante de tiempo como se aprecia en la figura 4.23. El voltaje cae a cero en 5s para el circuito con constante de tiempo de 1s y cae a cero en 500ms para una constante de tiempo de 100ms. Las características principales del dispositivo dado con el Entrenador DL 2312HG son:
Voltaje de Entrada 12 V Max. Valor del voltaje a la entrada con variación (c. t. 10ms) 10V/m Max. Voltaje Saturación de Salida 11 V Aprox. Ruido de Salida (c.t. 1s) 50mV
Tabla 4.20
4.4.4 Características de un Circuito Sample-Hold
Figura 4.24
En la figura 4.24 se representa el símbolo de un circuito Sample/Hold. Dicho circuito permite capturar el valor de la señal de entrada en un cierto instante de tiempo, y almacena este valor para un tratamiento posterior. En el modo "sample"(muestreo), se captura el valor instantáneo de la señal de entrada, y en el modo "hold"(retención), dicho valor se carga en un capacitor. El voltaje del capacitor caerá gradualmente de acuerdo a los valores en tiempo de descarga, propios del capacitor. La caída de voltaje se le llama "inclinación".
DL 2312HG
44 ver a20131207
El circuito se alimentará usualmente desde una fuente de salida de baja impedancia, como lo es en un amplificado operacional de ganancia unitaria. La figura 4.25 ilustra las características del circuito durante los modos de operación "sample" y "hold".
Figura 4.25
El circuito usualmente se usa como muestreador en un convertidor analógico-digital de señales variables. Con un número mayor de muestras, más precisa será la conversión. En la figura 4.25 podemos ver un ejemplo que ilustra el principio "sample" y "hold" y muestra una señal sin ruido. En la práctica, se toma un mayor número de muestras, almacenando su valor en forma digital a modo que permita la reconstrucción fiel de la señal original en el proceso inverso. Las características principales del dispositivo dado con el Entrenador DL 2312HG se indican a continuación:
Rango de Voltaje a la entrada 12V Max Constante de Tiempo a la Entrada 1ms Valor de inclinación 10mV/min
Tabla 4.21
DL 2312HG
ver a20131207 45
Capítulo 5 Transductores de Entrada
5.1 Transductores Resistivos para Aplicaciones de Posición Lineal o
Posición Angular Esta clase de transductores resistivos, consiste básicamente de un dispositivo que puede desplazarse sobre una pista conductiva de resistencia fija, cuyo cursor se desliza a través de ella, definiendo en cada posición, dos resistencias cuya suma es el total de la resistencia en la pista. Al tiempo que una varía de 0 al valor R de la pista, la otra varía a la inversa. El sistema Entrenador de Transductores dispone de los diversos dispositivos de este tipo (ver figura 5.1.1).
Figura 5.1.1
Potenciómetro Deslizante utilizado para medir la posición Lineal Potenciómetro Rotatorio utilizado para medir la posición angular
5.1.1 Potenciómetro con pista Circular de Carbón Como se observa en la figura 5.1.1, la pista dispuesta para el potenciómetro rotatorio esta colocada alrededor del eje solidario al cursor. La distribución de la resistencia a lo largo de la pista puede ser lineal o logarítmica dependiendo de la aplicación que se le vaya a dar al dispositivo, por tanto es preciso conocer tanto su valor ohmico como su proporción de la variación. En el caso del DL 2312HG el valor de la resistencia es de 100K y su distribución es lineal. El servo-potenciómetro es de pista de plástico conductivo con giro, y con un valor resistivo de 20K.
DL 2312HG
46 ver a20131207
5.1.2 Potenciómetro Longitudinal de Carbón. La diferencia con el potenciómetro anterior radica en que la distribución de la pista es en línea recta; el cursor dispone de un sistema de deslizamiento y un mando externo para moverlo a través de la pista como podemos ver en la figura 5.1.1. Pasa lo mismo con el caso previo la resistencia a lo largo de la pista tiene una distribución que puede ser tanto lineal como logarítmica. En el sistema Entrenador DL 2312HG el valor ohmico es de 10K y la variación es lineal.
5.1.3 Potenciómetro de alambre bobinado. En este caso la resistencia la ofrece un hilo conductor constituido a base de una aleación de Níquel con un alto coeficiente de resistividad, que le permita disminuir, en Io posible, la longitud del hilo y/o aumentar su sección a fin de mejorar su fiabilidad. Este hilo se bobina alrededor de un núcleo aislante (ver figura 5.1.1) y el conjunto se dispone de forma circular en torno a un eje que sujeta al cursor. Se fabrican potenciómetros de una o 10 vueltas, de distintos valores ohmicos y obviamente lineales. El sistema DL 2312HG cuenta con dos potenciómetros de este tipo: uno de 1K de una vuelta, y otro de 10K de 10 vueltas integrado en el puente de Wheatstone. En algunas versiones de éste sistema entrenador se incluye además un potenciómetro de 1K de plástico conductor.
DL 2312HG
ver a20131207 47
5.1.4 Precisión y Continuidad. Con un profundo análisis de figure 5.1.2, se deduce que la precisión de un potenciómetro depende en gran manera del ajuste mecánico del dispositivo y del propio sistema potenciométrico, siendo más preciso cuando mayor sea la relación D/R donde D, es el desplazamiento del cursor y R la variación de resistencia en ese desplazamiento. De acuerdo a este criterio son más precisos los potenciómetros de 10 vueltas que los de una vuelta y los deslizantes, debido a la longitud de la pista. En cuanto a la continuidad de la variación en la resistencia, los potenciómetros bobinados realizan esta variación a pequeños saltos debido a que el cursor pasa de hacer contacto con una espira a hacerlo con la siguiente sin una posición intermedia. En los potenciómetros con pista de carbón, la variación es más continua debido a que el cursor se desliza a lo largo de toda la pista. La precisión de un potenciómetro bobinado es aún menor debido a que el cursor se mueve de espira a espira representando un voltaje creciente en forma escalonada, un voltaje por espira y una fracción de éste. Este fenómeno se representa en la siguiente figura.
Fig 5.1.2
Figura 5.1.2 a) Muestra el cursor conectado a la espira 1. Figura 5.1.2 b) Muestra el cursor poniendo en contacto las espiras 1 y 2. Figure 5.1.2 c) Muestra el cursor conectado a la espira 2. En la práctica, el cursor probablemente haga contacto en más de una espira dependiendo del valor resistivo y del rango de potencia.
DL 2312HG
48 ver a20131207
5.2 El Circuito Puente de Wheatstone y sus Aplicaciones en Mediciones de Resistencia y Voltaje.
5.2.1 Circuito Puente de Wheatstone. Según muestra la figura 5.2 el circuito puente de Wheatstone básico, consta de cuatro resistencias y un galvanómetro o voltmetro sensitivo centrado a cero y conectado a una fuente de alimentación de DC.
Figura 5.2
R1 y R2 son resistencias fijas de un valor conocido. R3 es una resistencia variable cuyo valor es sensiblemente proporcional a la posición del cursor control (10 por división hasta un total de 10K). R4 es la resistencia desconocida, cuyo valor va a medirse. Durante la medición, R3 se ajusta hasta que no pase corriente por el galvanómetro, y por tanto marque cero. Bajo estas condiciones se puede decir que el puente esta "balanceado". De ahí que se ocupe el término "balance nulo". Una vez obtenido el ajuste a cero, con los valores conocidos para R1, R2 y R3, se puede obtener el valor de R4 de acuerdo con la siguiente formula:
Dado que la corriente en el galvanómetro debe ser nula, es preciso que en sus terminales exista el mismo potencial a la vez, es decir, la corriente que circula por R1 es la misma que pasa por R3 al igual que la corriente que circula por R2 y R4. Consecuentemente:
DL 2312HG
ver a20131207 49
Dividiendo la ecuación (1) por la ecuación (2):
A las resistencias R1 y R2 se les denomina "brazos de relación". Nota: 1. El valor del voltaje aplicado no afecta en sí al resultado.
Esto indica que no es necesario que el voltaje aplicado este estabilizado. No obstante la corriente del circuito debe mantenerse a valores bajos para evitar errores por calentamiento.
2. Se recomienda que el galvanómetro sea muy sensible al detectar cualquier desviación de cero
por pequeña que sea, aunque no importe mucho su precisión.
DL 2312HG
50 ver a20131207
5.2.2 Circuito para Medición de Resistencia a 3-Cables Cuando la resistencia a medir se ubica a cierta distancia del puente, los alambres de conexión pueden influir en la medida.
Figura 5.3
Para evitar este efecto se hace una adaptación a tres hilos como se muestra en la figura 5.3 b). En este caso la resistencia de uno de los alambres se agrega a R2 y el otro extremo a la resistencia desconocida R4. De tal forma el error se compensa en la medida. Éste será menor si los valores de R2 y R4 son iguales. El cable extra conectado al galvanómetro no afecta el equilibrio debido a que por él no pasa corriente.
DL 2312HG
ver a20131207 51
5.2.3 Medición de Voltaje Utilizando el Método de "Balance Nulo".
Metodo1. Se requiere una resistencia variable calibrada (potenciómetro de 10K de 10 vueltas), una fuente de voltaje calibrada y un galvanómetro, conectado como se muestra en la figura 5.4.
Figure 5.4
El potenciómetro se ajusta hasta que el circuito queda balanceado, esto es, sin corriente que circule hacia el galvanómetro. Bajo estas condiciones, el voltaje en la sección R2 del potenciómetro es igual al voltaje calibrado, de tal modo que el voltaje desconocido pueda calcularse de alguna forma: Voltaje desconocido = Rt/R2 x voltaje calibrado Este método tiene desventajas: (1) En vista de que el voltaje desconocido depende en gran parte del potenciómetro, cualquier variación en éste afecta al voltaje. (2) Sólo permite medir voltajes que no excedan la fuente del voltaje calibrado.
DL 2312HG
52 ver a20131207
Método 2. Este método requiere una fuente de alimentación de DC que exceda al valor máximo del voltaje desconocido, a medirse y un potenciómetro RS, conectado según el circuito de la figura 5.5.
Figura 5.5
Para medir voltajes inferiores al voltaje calibrado, el cursor del potenciómetro principal (de 10 vueltas) se coloca en posición máxima, con el galvanómetro conectado a la fuente de voltaje calibrado, el circuito se balancea ajustando RS hasta que la lectura en el galvanómetro sea cero. La resistencia Rt del potenciómetro principal, corresponde entonces al valor del voltaje calibrado. Para medir ahora el voltaje desconocido se conecta al galvanómetro y nuevamente es balanceado el circuito a través del potenciómetro principal. El valor de la resistencia R2 en equilibrio corresponde al voltaje desconocido y podemos calcularlo de esta forma:
Voltaje desconocido = R2/Rt x Voltaje Calibrado Para mediciones de voltajes superiores al voltaje calibrado, éste ultimo se hace corresponder con la sección R2 balanceando el circuito a través de RS, de tal forma que al conectar el voltaje desconocido se pueda balancear de nuevo, esta vez con el potenciómetro principal, obteniendo un nuevo valor R´2. Con estos valores podemos calcular la tensión desconocida de la siguiente forma:
Voltaje desconocido = R'2/R2 x Voltaje Normal Con este método la fuente de voltaje desconocido no se carga y la tensión obtenida, por tanto, deberá ser exacta dentro de los límites de precisión del potenciómetro.
DL 2312HG
ver a20131207 53
5.2.4 Ventaja del Sistema Entrenador de Transductores La figura 5.6 muestra el diagrama del Puente de Wheatstone dado con el Entrenador DL 2312HG. El circuito esta compuesto de dos “resistencias de potencia” identicas (R1 y R2) de 1KΩ y una resistencia variable de 1KΩ, de esta forma la ganancia resultante del puente es igual a 1.
Figura 5.6
Esta configuración permite la medición directa de todas las resistencias desde 0Ω (cero) hasta 1000Ω. Esta medición se hace multiplicando por 100 el valor leido en el aro externo del potenciometro y sumandole el valor del aro interno En el circuito estan tambien presentes dos resistencias de valor desconocido que pueden ser conectadas para conocer su valor. El puente tambien es usado para la medición de valores de la “strain gauge” El puente, por sus características pueden trabajar tanto corriente directa y alternar, ya que que esta compuesto solamente de resistencias puede medir solamente la resistencia del componente. Por esta razón en la práctica se alimenta por corriente directa solamente. El principio del funcionamiento en cuál se basa el puente de Wheatstone simple. Alimentamos 2 brazos que estan compuestsos por resistencias en serie. Uno de éstos brazo tiene dos resistencias del valor conocido (en nuestro puente R1 = R2 = 1 KΩ); y el otro brazo tiene la resistencia a medir (RXx o SG) en serie con una resistencia variable la cual es posible saber el valor con la precisión. A este punto un galvanómetro es insertado (o un voltmetro) entre los puntos centrales de los dos ramas, y la resistencia que varía se regula en tal modo que la lectura de la herramienta es igual a cero. Cuando esto ocurre se dice que la resistencia al ser medida resulta igual a a la planeada en el potenciómetro. Para la operación correcta poner las alimentaciones entre la hebilla de la masa y el punto 1, conectados con la resistencia que se medirá (RX1; RX2 o SG si se utiliza la “strain gauge”). El puente puede trabajar a cualquier tensión, sin embargo para aumentar la precisión es útil alimentar el puente a 12V.
DL 2312HG
54 ver a20131207
5.3 Transductores para Aplicaciones en Sensado de Temperatura.
5.3.1 Ventajas de los Transductores de Temperatura en el Sistema Entrenador DL 2312HG.
La figura 5.7 muestra la distribución de los transductores de temperatura en el DL 2312HG. Los Transductores activos están aislados de la temperatura ambiente por medio de una caja transparente, en cuyo centro se encuentra un elemento calefactor (heater element). En el caso de los termistores NTC y los termopares, se montan en una unidad separada, fuera de la caja, que se calienta internamente.
Figura 5.7
DL 2312HG
ver a20131207 55
5.3.2 El Transductor de Temperatura de Circuito Integrado (LM35) El dispositivo LM35 es un elemento que proporciona una salida de 10mV/°C, lo cual indica que este circuito integrado entrega un voltaje de salida que representa la temperatura directamente en °C. Por ejemplo, una temperatura de 15°C será representada por un voltaje de salida de 150mV. La forma física y el diagrama eléctrico del LM35, están representados en la siguiente figura.
Figura 5.8
El sistema entrenador DL 2312HG tiene dos LM35: uno esta montado dentro de la caja para sensar la temperatura del calentador El segundo LM35 esta colocado fuera de la caja, indicando prácticamente la temperatura ambiente que se puede obtener en la terminal referencia REF. La salida en la terminal " O/P" de la figura 5.8, indica la temperatura dentro de la caja.
DL 2312HG
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5.3.3 Sensores de temperatura de semiconductores El sensor de temperatura de semiconductores (o IC, que significa circuito integrado) es un dispositivo electrónico que se ha fabricado de una manera similar a la que se usa para realizar otros componentes electrónicos modernos de semiconductores, como por ejemplo los microprocesadores. Lo normal es preparar centenares o miles de dispositivos sobre una fina oblea de silicio. Antes de dividir la oblea para extraer los distintos chips, se suele recortar con láser. Los sensores de temperatura de semiconductores pueden proceder de muy diversos fabricantes. No existen tipos genéricos como ocurre con los termopares y con los RTD, aunque son muchos los dispositivos que tienen más de un fabricante. El AD590 y el LM35 han sido los más populares durante mucho tiempo, pero durante estos últimos años han aparecido otras alternativas mejores. Estos sensores comparten diversas características: salidas lineales, tamaño relativamente pequeño, tienen un rango de temperatura limitado (habitualmente, de -40 a +120 °C), coste bajo, buena precisión si se calibran, pero también ocurre que son muy poco intercambiables. A menudo los sensores de temperatura de semiconductores no están bien diseñados desde el punto de vista térmico, y el chip de semiconductor no siempre tiene un buen contacto térmico con una superficie externa. Algunos dispositivos tienden a oscilar a menos que se tomen precauciones. Siempre y cuando se entiendan bien las limitaciones que presentan estos sensores de temperatura de semiconductores, se pueden utilizar de una manera efectiva en muchas aplicaciones. Los más populares se basan en las características de corriente y temperatura fundamentales del transistor. Si dos transistores idénticos funcionan con una intensidad de corriente del colector distinta pero constante, la diferencia que muestran sus respectivos valores de tensión de la base-emisor es proporcional a la temperatura absoluta de los transistores. A continuación, esta diferencia de tensión se convierte en una corriente o en una tensión de un solo terminal. Se puede aplicar un desfase para convertir la señal de temperatura absoluta a Celsius o Fahrenheit. En general, el sensor de temperatura de semiconductores es el mejor para aplicaciones incrustadas, es decir, para utilizarlo dentro de los equipos. Esto se debe a que son más delicados, tanto desde el punto de vista eléctrico como desde el punto de vista mecánico, que los restantes tipos de sensores de temperatura. Sin embargo, tienen un campo de aplicación legítima en muchas áreas y de ahí su inclusión.
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Tipos de sensores de temperatura de semiconductores
A continuación se presenta un resumen de los sensores de temperatura de semiconductores disponibles, y después se ofrece una descripción más detallada de algunos de los dispositivos más populares.
Los sensores se pueden agrupar en 5 categorías amplias: salida de tensión, salida de corriente, salida de resistencia, salida digital y diodo simple.
Sensores de temperatura de salida de tensión
Estos sensores suministran una señal de salida de tensión provista de una impedancia de salida relativamente baja. Todos ellos requieren una fuente de potencia para su excitación, y todos son lineales, en esencia.
Sensores de temperatura de salida de corriente
Los sensores de salida de corriente actúan como un regulador de corriente constante de alta impedancia, que normalmente transmite 1 microamperio por grado Kelvin y requiere de una tensión de alimentación de 4-30 V.
Sensores de temperatura de salida digital
El sensor de temperatura digital es el primer sensor que integra a la vez un sensor y un convertidor analógico a digital (ADC) en un solo chip de silicio. Por lo general, los sensores no se prestan al uso con dispositivos de medición estándar debido a que sus interfaces digitales no están estandarizados. Muchos de ellos están diseñados específicamente para la administración térmica de los chips de microprocesador.
Sensores de temperatura de silicio con salida de resistencia
Las características de temperatura frente a resistencia bruta de los materiales de semiconductor permiten fabricar sensores de temperatura simples utilizando para ello el equipo estándar de fabricación de semiconductores de silicio. Este semiconductor puede ser más estable que otros sensores de semiconductor, debido a que tienen una mayor tolerancia a la migración de iones. Sin embargo, es necesario tomar en cuenta otras características cuando se utilicen estos sensores.
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Sensores de temperatura mediante diodos
El diodo semiconductor ordinario se puede utilizar como sensor de temperatura. ¡Es barato y fastidioso! El diodo es el sensor de temperatura más barato y puede ofrecer unos resultados más que satisfactorios si el usuario está preparado para realizar una calibración de dos puntos y suministrar una corriente de excitación estable. Para ello vale casi cualquier diodo de silicio. La tensión de polarización directa que cruza el diodo tiene un coeficiente de temperatura de 2,3 mV/°C y es bastante lineal. El circuito de medición es simple, tal y como se muestra más abajo (Figura 5.9).
Figura 5.9
La corriente de polarización se debe mantener en el nivel más constante que sea posible, utilizando para ello una fuente de corriente constante o una resistencia desde una fuente de tensión estable. Sin calibración, el error inicial puede ser bastante grande, del orden de ± 30 °C, el mayor que presentan todos los sensores de temperatura de contacto. Este error inicial se reduce mucho si se utilizan componentes de calidad en el sensor. Una ventaja de usar el diodo como sensor de temperatura es que puede ser muy robusto desde el punto de vista eléctrico, de manera que tolera picos de tensión inducidas por descargas. Este es precisamente el caso si se usan diodos de potencia (por ejemplo, el común 1N4004) y si utiliza un segundo diodo de conexión recíproca para limitar la disipación de potencia durante las corrientes de pico elevadas.
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El sensor de transistores se utiliza en modo diodo conectando juntos la base y el colector. Si no se hace esto, el sensor se cablea entre la base y el emisor y la corriente de excitación se reduce en un factor de 100, aproximadamente. El resultado es un sensor lineal, sensible y de muy baja potencia. La simplicidad y el rendimiento del sensor están infravalorados. Para mejorar el rendimiento del diodo como sensor de temperatura, se puede medir 2 tensiones de diodo (V1 y V2) a diferentes corrientes (I1 y I2), que normalmente se seleccionan de manera que tengan un coeficiente de 1:10. La temperatura absoluta se puede calcular con la ecuación:
2
15
21
I
Iln107248.8
VVT
(°k)
El resultado se da en grados Kelvin (K). Este es el método que se emplea en la mayoría de los sensores de temperatura de circuito integrado y explica por qué algunos emiten una señal proporcional a la temperatura absoluta.
Precisión de los sensores de semiconductor
Como puede verse de la información anterior, la precisión intercambiable o "de fábrica" de la mayoría de los sensores de temperatura de semiconductores no es muy buena.
Además, el elemento sensor básico suele estar empaquetado en una caja estándar para dispositivos electrónicos, que no es lo ideal para realizar mediciones de temperatura precisas.
Sin embargo, a pesar de estos inconvenientes, los sensores son sensibles, el resultado es bastante lineal y de muy buen uso práctico.
Si se pueden calibrar los distintos sensores, se puede obtener una precisión mucho mayor de las mediciones.
Lo habitual es que realizando una calibración de dos puntos se multiplique la precisión en cinco veces y realizando una calibración de tres puntos la precisión se multiplica por diez en todo el intervalo de temperatura. Si el intervalo de temperatura es corto, se pueden obtener incluso precisiones mejores.
Debido a la sensibilidad de algunos sensores, pueden ser muy buenos para medir pequeños cambios de temperatura (a diferencia de lo que ocurre con la medición absoluta).
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¿Cuales el sensor de semiconductor más apropiado?
Esta es una pregunta difícil de responder, y la respuesta puede ser más fácil si utilizamos el siguiente proceso de selección:
Decidir cuál es la precisión que se necesita
Decidir cuál es el intervalo de temperaturas
Decidir un presupuesto
Definir las capacidades de entrada de los instrumentos de medición
Seleccionar cualquier sensor que satisfaga todo lo anterior (tendrá suerte si encuentra alguno), de lo contrario:
Si la presión es deficiente, tendrá que calibrar el sensor. ¿Una corrección del desfase de un solo punto será suficiente para cualquier sensor? Seleccione ese sensor. De lo contrario:
¿Una calibración de dos puntos ofrecerá una precisión adecuada para corregir el desfase y la pendiente? Seleccione ese sensor.
Una vez que ya decidido que calibración necesitará, la selección se hará más fácil. Que el error inicial sin calibrar sea grande o pequeño supone poca diferencia. La naturaleza de la desviación respecto de la curva de respuesta ideal se convierte en el factor más importante. Si la desviación es una función lineal simple, una calibración de dos puntos dará unos resultados excelentes. Si la desviación es más compleja, se necesitará una calibración de varios puntos, seguido por el ajuste polinómico o de una serie de segmentos lineales.
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5.3.4 El Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient). La construcción del termistor NTC se muestra en la figura 5.10, consta particularmente de un elemento hecho basándose en óxidos de metales como níquel, magnesio, cobalto, etc., los dos contactos van soldados a ambos extremos del elemento.
Figura 5.10 Cuando la temperatura del elemento aumenta, la resistencia eléctrica disminuye, siendo no lineal la respuesta característica resistencia/temperatura.
La resistencia del termistor dada por el sistema entrenador DL 2312HG esta en el orden de 500 a una temperatura ambiente de 20OC.
El sensor NTC esta montado en un circuito que da una tensión proporcinal a la resistencia.
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5.3.5 Termistor Termopar de Temperatura tipo “K”
Figura 5.11
La figura 5.11 muestra la construcción básica de un termopar, formada por dos cables de diversos materiales, aleación de cromo y aluminio (termopar tipo K) unida en un extremo.
Los extremos que estan unidos se denominan el extremo caliente y el otro se denomina el extremo frío.
Con esta disposición, cuando el extremo termina caliente, un voltaje de la salida es obtenido entre los otros dos extremos y depende de la diferencia de la temperatura en las dos uniones y entre los dos materiales.
Para el termopar tipo “K” el voltaje de la salida es absolutamente lineal en el rango de temperatura 0 - 100ºC y una diferencia de 40.28 μV / ºC de la magnitud entre los extremos calientes y fríos.
El termopar es proporcionado con un circuito amplificador, que permite leer un voltaje pequeño en la salida del termopar, y lo previene de una sobrecarga peligrosa-
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5.4 Transductores para Aplicaciones en Sensado de Luz
5.4.1 Ventajas del Sistema Entrenador DL 2312HG. La figura 5.13 muestra el arreglo de los transductores de luz utilizados para el sistema DL 2312HG.
Los transductores están contenidos dentro de una caja transparente y entonces se iluminan por una lampara localizada en la parte central.
Figura 5.13
5.4.2 La Celda Fotovoltáica
Figura 5.14
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La figura 5.14 muestra la construcción básica de una celda semiconductora fotovoltaica que básicamente consiste en un dispositivo con dos capas de silicio.
Una capa fina de material P se construye en el substrato de tipo N.
Cuando la luz se impacta en la union una diferencia potencial positiva aparece en el lado N con respecto al lado P.
El voltaje de salida depende de la magnitud de la luz que impacta sobre el dispositivo como valor máximo en el rango de 0.5 V.
Con una resistencia de la carga conectada con la salida, pasará una corriente.
La magnitud de la corriente depende de la magnitud de la luz que afecta el dispositivo y la superficie de esta.
Figura 5.15
La figura 5.15 muestra el esquema eléctrico que se tiene para la celda fotoconductora en el DL 2312HG.
Las características principales del dispositivo son las siguientes:
Voltaje a circuito abierto (Insolado) 500mV Corriente en corto circuito (Insolado) 10mA Pico de Longitud de Onda, Respuesta Espectral 840nm I.R Tiempo de Respuesta 10s
Tabla 5.1
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5.4.3 El Fototransistor La estructura interna del fototransistor se simplifica en la figura 5.16.
La Unión semiconductora es básicamente de tres capas NPN, con tres terminales: e (emisor), b (base) y c (colector).
Figura 5.16
La diferencia de éste dispositivo respecto a un transistor, es que permite que la luz incida en la unión colector base. La conexión básica del circuito implica conectar el colector al positivo de una fuente DC por medio de una resistencia R. La conexión de la base no se utiliza para éste caso en particular, pero esta disponible si así se desea. Aunque no incida luz sobre el circuito existirá una pequeña corriente debido a los pares de hueco-electrón generados térmicamente, de modo que la salida de voltaje será ligeramente menor al de alimentación debido a la caída de voltaje en la resistencia R.
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Cuando la luz incide sobre la unión colector-base, se incrementa la corriente. Con la terminal de base a circuito abierto, la corriente colector-base pasa por la unión base-emisor, y la corriente se amplifica como es en el caso un transistor común. De este modo la unidad es más sensible que un fotodiodo. El voltaje de salida del circuito cae al incrementarse la corriente y el voltaje de salida depende de la intensidad de la luz que incide sobre el dispositivo.
Figura 5.17
La figura 5.17 muestra el circuito que identifica al fototransistor en el sistema DL 2312HG. Las principales características de éste dispositivo son las siguientes:
Corriente de Colector (VCE=5V)
En Oscuridad 100A Ambiente Típico 3.5mA
Tabla 5.2
DL 2312HG
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5.4.4 Célula Fotoconductora La figura 5.18 muestra la construcción interna de una celda Fototoconductora, formada por un disco semiconductor y una capa semicurveada hecha a base partículas de oro que están en contacto con el material semiconductor.
Figura 5.18
La resistencia del material semiconductor entre los contactos de oro varía cuando la luz incide sobre él. Sin la luz sobre el material, la resistencia en el semiconductor es alta. Con la luz sobre el material se produce un conjunto de pares hueco-electrón y la resistencia se reduce. Existe disponible una diversidad de materiales semiconductores. El dispositivo incluido en el sistema entrenador usa el de sulfuro de cadmio, por tener una respuesta en frecuencia similar a la del ojo humano.
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Las características principales del dispositivo se ilustran en las siguientes gráficas, de la figura 5-19.
Figure 5.19
Resistencia de la celda Obscuridad 10M 50 Lux 2.4k Ambiental 500 100 Lux 130
Tiempo de Respuesta Subida 75ms Bajada 350ms
Pico de Respuesta espectral 510nm
Tabla 5.3
Cuando la luz se quita del dispositivo, los pares de hoyos de electrones se mueven lentamente para ser regenerados y la respuesta es lenta pues puede ser probado
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5.4.5 El Fotodiodo PIN La figura 5.20 muestra la estructura de un Fotodiodo PIN. Este difiere del diodo PN en que tiene una capa de silicio intrínseca o dopada muy ligeramente introducida entre las secciones P y N. Esto reduce la capacitancia del dispositivo y, como resultado el tiempo de respuesta.
Figura 5.20
El dispositivo puede trabajar de dos formas diferentes.
a. Fuente de Voltaje. Como una celda fotovoltáica. b. Fuente de Intensidad.
Figura 5.21
La figura 5.21 muestra el arreglo del circuito en el Entrenador DL 2312HG. Sus características básicas son las siguientes.
Corriente sin luz 1 nA Corriente con luz 10 nA/Lux Capacitancia 15 pF Tiempo de Respuesta 50 ns (con resistencia de carga 5) Pico de Respuesta Espectral 850 nm (I.R)
Tabla 5.4
DL 2312HG
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5.5 Transductores para Aplicaciones en Mediciones de Posición Lineal y Fuerza
5.5.1 El Transformador Diferencial de Variable Lineal (LVDT). La construcción y el circuito del LVDT se ilustran en la figura 5.22, y consta de tres bobinas sobre un soporte común. Un núcleo magnético que se mueve dentro de las bobinas.
Figura 5.22
La bobina al centro es la principal y se alimenta de CA, y las bobinas de ambos lados son secundarios , siendo estas A y B de la figura 5.22. Las bobinas A y B tienen el mismo número de vueltas y están conectadas en serie, estando conectadas en polaridad opuesta, para que el voltaje de salida sea la diferencia entre los voltajes inducidos en las bobinas.
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La figura 5.23 muestra la salida que se obtiene al variar las posiciones del núcleo magnético.
Figura 5.23
Con el núcleo en posición central (figura 5.23b), habrá tensiones inducidas iguales en las bobinas A y B por la acción de un transformador normal, luego la tensión de salida será cero. Con el núcleo hacia la izquierda (figura 5.23a), el voltaje inducido en la bobina A (Va) será mayor que la bobina B (Vb). Por lo tanto habrá una tensión de salida Vsalida(out) = (Va–Vb) y en fase con la tensión de entrada. Con el núcleo hacia la derecha (figura 5.23c) el voltaje inducido en la bobina A (Va) será mayor al inducido por la bobina B (Vb) y de nuevo habrá una tensión de salida Vsalida = (Va–Vb) pero defasada 180º respecto al voltaje de entrada. El movimiento del núcleo de su posición central (o neutra) produce por lo tanto, un voltaje de salida que va aumentando hasta alcanzar un valor máximo. Entonces el medir el voltaje de salida da la idea de un movimiento respecto a la posición neutra, pero no de la dirección. Usándose en conjunto con un detector de fase, se puede obtener una salida que dependa de la magnitud y la dirección del movimiento, desde su posición neutra.
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La figura 5.24 muestra un circuito básico detector de fase.
Figura 5.24
En la figura 5.24, se observa el movimiento del núcleo. Si se dirige hacia la izquierda, el voltaje de salida será positivo y si se mueve a la derecha, el voltaje de salida será negativo. La figura 5.25 muestra la representación que tiene el LVDT, en el sistema DL 2312HG
Figura 5.25
Nota: El circuito detector de fase no se incluye en el sistema. Las características principales del dispositivo son las siguientes:
Voltaje de Excitación 1V = 10V ~rms Resistencia en el Primario 69 ohms Resistencia en el Secundario 200 ohms Frecuencia de Excitación 1 kHz – 20kHz Voltaje de Salida 10mV/mm Voltaje Residuo Cero 0.3 % deformación a escala total Coeficiente de Temperatura 0.015%/°C
Tabla 5.5
DL 2312HG
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5.5.2 Características de un Resistor Lineal. Otro de los transductores de posición es el resistor lineal, es una resistencia que varía su valor al oprimir la varilla.
Figura 5.26
La figura 5.26a muestra el resistor lineal físicamente y la 5.26b indica cual es su representación eléctrica utilizada en el Sistema DL 2312HG. Este transductor se usa como divisor de voltaje y no como resistor variable, su valor a la salida es un voltaje variante. Generalmente se aplica en dispositivos, en donde funciona como interruptor variante. Para efectos prácticos, pueden observarse sus características al registrar los intervalos en mm de distancia a los que se oprime. La distancia se puede medir con un vernier.
Resistencia 5K 20% lineales Linealidad 2% Coeficiente de Temperatura de 0 a -200 impulsos al min/°C Nivelación de Salida 0.5% max Temperatura de Funcionamiento -40°C +130°C Recorrido Eléctrico 10mm Recorrido Mecánico 12.5mm Fuerza de Operación 2 a 7.5N
Tabla 5.6
DL 2312HG
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5.5.3 Strain Gauge (Deformímetro ó Galga Extensiométrica)
Figura 5.27
La figura 5.27 muestra la construcción de un strain gauge; básicamente es una rejilla de alambre fino o material semiconductor sujetado sobre un soporte. Cuando se está utilizando, el strain gague va pegado sobre la base donde se coloca el elemento de prueba, de modo que capta las variaciones de longitud por el peso de la carga. Su referencia es el eje sensible del indicador. Un aumento en la carga incrementa la longitud del alambre y por tanto su resistencia. El indicador usualmente, va conectado a un puente de Wheatstone balanceado bajo condiciones sin carga. Cualquier cambio en la resistencia debido a la carga, desajusta al puente (detectado por medio del Galvanómetro).
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Su forma física y el diagrama eléctrico, se muestran en la figura 5.28.
Figura 5.28
Las resistencias están electrodepositadas en un substrato sobre un bloque de contacto al extremo derecho del montaje con dos indicadores activos integrados a lo largo del eje y dos falsos integrados en los ángulos, a la derecha de éstos. Las características principales del strain gauge son las siguientes:
Capacidad de carga 200g. Sensibilidad 25 V/g Longitud 5 mm Deformación 2 a 4 % Coeficiente de Temperatura 0.015%/°C Resistencia 320 0.5%
Tabla 5.7
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5.6 Transductores para Mediciones Ambientales
5.6.1 Flow meters and Flow sensors Caudalímetros
Medir el caudal es un requisito importante en muchas aplicaciones experimentales e industriales. Los caudalímetros se utilizan para diversas aplicaciones cuando se desea medir el caudal o el volumen de un material gaseoso o líquido determinado. Existen muchos tipos de caudalímetros, que se utilizan en el mundo industrial y se clasifican principalmente, según las funciones y los principios de medición que apliquen de los caudalímetros industriales o de si generan o no energía a partir de los fluidos en circulación mismos. Los caudalímetros del líquido miden el caudal de un fluido midiendo la ondulación de una membrana flexible en respuesta al paso de un fluido por una cámara de flujo. Los caudalímetros de líquido se aplican en muchos campos para medir el caudal de un líquido que pasa por diversas conducciones. Un medidor de rotor o de turbina es un tipo de caudalímetro de líquido provisto de una rueda de turbina giratoria que está colocada para interceptar el líquido que circula por una conducción. La rueda de la turbina gira a una velocidad proporcional a la velocidad del fluido. La rotación de la rueda de la turbina se detecta mediante una bobina sensora, que suministra impulsos que actúan sobre un indicador. Se puede utilizar un caudalímetro de turbina para medir el caudal de un líquido. La información sobre el caudal se puede utilizar para reducir el volumen del líquido con el fin de realizar un medidor de volúmenes. Un anemómetro, para el que se utilizan como siglas en los textos ingleses AFM, provisto de una resistencia calefactor a es uno de los dispositivos que pueden detectar la velocidad del viento en la entrada de un motor de combustión interna. El anemómetro que mide el caudal de aire presente en la entrada del motor de un vehículo utiliza un sensor de caudal de tipo térmico provisto de una resistencia calefactor. El caudalímetro de ultrasonidos funciona generando una onda ultrasónica que se propaga por un fluido que se desplaza por una ruta tubular, a una velocidad cuyo valor se obtiene tomando como base la diferencia entre la velocidad de propagación de la onda ultrasónica en la dirección de corriente arriba a corriente abajo, y en la dirección inversa. Los caudalímetros de ultrasonidos tienen muchas ventajas sobre los restantes métodos a la hora de determinar los caudales. Los caudalímetros de ultrasonidos pueden realizar mediciones continuas del caudal, mientras que los restantes métodos miden, por lo general, los caudales promedio. Además, los caudalímetros de ultrasonidos son inmunes a las obstrucciones y funcionan incluso en fluidos que no conducen la electricidad.
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El caudalímetro de masas, que en los textos ingleses aparece con la abreviatura MAF, es un instrumento que mide la masa por unidad de tiempo de un fluido que se desplaza por una conducción, por ejemplo de tuberías y conductos. El caudalímetro de masas de Coriolis es del tipo de medición directa que mide el caudal de la masa utilizando la fuerza de Coriolis generada proporcionalmente al caudal de masa de un fluido que circula por una tubería vibratoria. Por ello permite realizar mediciones de alta precisión del caudal de masas. Los caudalímetros de máximos son bien conocidos y se utilizan ampliamente a la hora de monitorizar la función pulmonar de los asmáticos. Sensores de caudal
Un sensor de caudal es un dispositivo que responde a la circulación del fluido proporcionando una señal que es indicativa de la tasa de caudal. Los sensores de flujo se utilizan en muy diversas aplicaciones de detección del fluido para detectar la calidad de estos fluidos, que pueden ser gases o líquidos. El control de la circulación de fluidos es importante en muchas industrias. Por ejemplo, muchos procesos de la fabricación de semiconductores requieren de una reacción precisa a dos o más gases en condiciones estrictamente controladas. Los caudalímetros de masas se utilizan para controlar las reacciones químicas a nivel molecular. Los sensores de los caudales de masas son dispositivos que tienen un elemento sensor cuya señal de medición es representativa del caudal de la masa existente en el conducto principal, por ejemplo en un conector de entrada de una sección de entrada correspondiente a un motor de combustión interna. Los caudalímetros de masas suelen funcionar según el principio de dirigir el caudal a través de dos ramas o pasadizos paralelos. El caudalímetro térmico es un sensor de caudal que proporciona una señal de salida variable con el caudal de un fluido que circula por una conducción, tomando como base la convección, la conducción o el flujo térmico producido por la circulación del fluido. Los sistemas de película fina de tipo térmico se suelen usar como sensores de caudal para determinar la velocidad del gas que circula sobre el sensor. Cuando el fluido circula sobre el sensor, su circulación distorsiona un conjunto de isotermas, distorsión que, al menos en parte, se puede detectar mediante un sensor térmico. Los sensores de caudal por tiempo de tránsito ultrasónico detectan la diferencia de tiempos de propagación acústica que se producen al transmitirse los ultrasonidos corriente arriba y corriente abajo, diferencia resultante del movimiento del fluido en circulación, fluido que puede ser un líquido o un gas, y procesar esta información para deducir cuál es el valor del caudal.
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Los sensores de caudal anemométricos se utilizan en numerosas aplicaciones comerciales e industriales para determinar el caudal de masa en explotación y proteger al equipo para que no se caliente en exceso. Entre estas aplicaciones aparece la protección de sistemas electrónicos, como los ordenadores de gran capacidad y los periféricos, los sistemas HVAC, las fuentes de alimentación de gran potencia, los equipos de tratamiento y diagnóstico médico y los sistemas de radares. Un sensor básico del caudal de aire podría ser el que dispone de dos componentes principales, un elemento calefactor y un sensor de temperatura. Las figuras 5.29 y 5.30 siguientes muestran la construcción básica de un sensor de caudal de aire que se compone de dos RTD (termómetros de resistencia) montados en una caja de plástico.
Figura 5.29 Figura 5.30
Uno de ellos tiene un elemento calefactor integrado. El funcionamiento del dispositivo se basa en que cuando el aire pasa por los RTD, la temperatura de la unidad provista de calefacción se reducirá más que la de la unidad carente de calefacción. La diferencia de temperatura estará relacionada con el valor del caudal del aire y esto, a su vez, afectará a la resistencia que muestra el RTD. Las especificaciones del sensor de caudal del DL 2312HG se presentan en la tabla siguiente:
Tabla 5.8
DL 2312HG
ver a20131207 79
5.6.2 Transductores de presión La metrología de la presión es la tecnología que permite transducir la presión a una cantidad eléctrica. Normalmente, se utiliza una construcción de diagrama donde los extensímetros, bien de la tensión trasmitida o bien de la tensión difundida, actúan como elementos de resistencia. Bajo la tensión inducida por la presión, cambia el valor de la resistencia. Utilizando tecnología capacitativa, el diagrama de presión muestra un plato de condensador cuyo valor cambia según el desplazamiento inducido por la presión.
Figura 5.31
Detección de presión utilizando una tecnología de diafragma que mide la diferencia de presión en los dos lados del diafragma. Dependiendo de la presión relevante, utilizamos los términos ABSOLUTO cuando la referencia es el vacío (primera imagen de la Figura 5.31), MANÓMETRO cuando la referencia es la presión atmosférica (segunda imagen de la Figura 5.31) o DIFERENCIAL cuando el sensor tiene dos puertos para medir las dos presiones diferentes. Sensor de presión piezorresistivo, o celda de silicio.
Este tipo de sensor de presión consiste en un diafragma de silicio micromecanizado donde se han difundido medidores de tensión piezorresistivos, fusionados sobre una placa de silicio o de cristal de soporte. Las resistencias tienen un valor de aproximadamente 3,5 kΩ. La tensión inducida por la presión aumenta el valor de las resistencias radiales (r) y reduce el valor de las resistencias transversales (t) al radio. Este cambio de resistencia puede ser incluso del 30%. Las resistencias están conectadas en forma de puente de Wheatstone, cuya salida es directamente proporcional a la presión.
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Lecturas del puente 1) Se sueldan cables de aluminio o de oro a los contactos de aluminio del chip y a las patillas del cabezal de la ventana de cristal. 2) TAB (puentes automáticos de cinta).
Los contactos del chip tienen un punto de oro. Se suelda directamente un circuito impreso flexible preestañado a estos puntos de oro y el otro extremo se conecta a una tarjeta de PC o al cabezal. En el primer método, el sensor se debe fijar al cabezal. El circuito impreso TAB, sin embargo, mantiene colocado el sensor. El transductor de presión piezorresistivo de OEM
El sensor de silicio que aparece en la ventana de cristal está montado sobre una carcasa de acero inoxidable, aislado mediante un diafragma de acero inoxidable fino y relleno de aceite de silicona. La presión actúa sobre el diafragma y se transmite por el aceite hasta el sensor. Estos transductores se han sometido a pruebas completas de temperatura y linealidad y los valores de la resistencia de compensación se dan en forma de hojas de prueba individuales. Transductores de presión Los transductores de presión son instrumentos para medir la presión, listos para usar. Se trata de un transductor de OEM provisto de un puerto de presión, de resistencias de compensación integradas y de un cable o conector. Los transductores suministran una señal sin amplificar a un indicador o amplificador de instrumentación independiente. Se pueden considerar puentes pasivos, siendo intercambiables entre los distintos fabricantes.
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Transmisores de presión En los transmisores de presión, todo el circuito de acondicionamiento de la señal está integrado en la carcasa. La señal del sensor se condiciona para formar señales de salida estándar de 0...100 mV, 0...10 V, 0,5...4,5 V y 4-20 mA. Normalmente, la señal es independiente de la excitación (es decir, 8...28 V) pero, en los transmisores de relación métrica, la señal es proporcional a la excitación. El mejor indicador para describir la precisión del transmisor es una banda de error. Esta banda cubre todos los errores en todo el intervalo de temperatura y presión. También se dan los errores típicos. El error típico describe la precisión qué se puede esperar de manera habitual en una medición. El dispositivo de DL 2312HG es un sensor de presión piezorresistivo de silicio que ofrece una salida de tensión lineal y muy precisa, directamente proporcional a la presión aplicada. El sensor es un único diafragma de silicio monolítico que lleva integrado un extensímetro y una red de resistencias de capa fina, sobre el chip. El chip se ha recortado con láser para obtener una compensación de la temperatura y una calibración del desfase y del intervalo precisas. Está diseñado para utilizarlo en aplicaciones como las de controlador de bomba/motor, robótica, indicadores de nivel, diagnósticos médicos, interruptores de presión, barómetros, altímetros, etc. La Figura 5.32 presenta un diagrama de bloques del circuito interno que aparece en un chip de sensor de presión autónomo.
Figura 5.32
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La salida de tensión diferencial del transductor es directamente proporcional a la presión diferencial aplicada. El sensor absoluto tiene integrado un vacío de referencia. La tensión de salida se reducirá a medida que se produzca bajada de presión, con respecto al ambiente, en el lado de presión (P1). La tensión de salida del sensor de medición o diferencial aumenta al aumentar la presión que se aplica al lado de presión (P1) frente a la que aparece en el lado de vacío (P2). De manera similar, la tensión de salida aumenta a medida que va reduciéndose la presión en el lado de vacío (P2) frente a la que aparece en el lado de presión (P1). Las características operativas de dispositivos las siguientes:
Tabla 5.9
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5.6.3 Sensores de humedad
Teoría: Cuanto más cálido sea el aire, más vapor de agua puede "retener". "Humedad" es el término que se utiliza para describir la cantidad de vapor de agua que aparece en el aire. "Humedad relativa (HR)" es el término que se utiliza con más frecuencia en la información meteorológica destinada al público en general. Esta humedad relativa es la cantidad de vapor de agua que realmente existe en el aire frente a la cantidad de vapor que se necesitaría para que el aire estuviera saturado con la actual temperatura de la corriente de aire. Se expresa como porcentaje y puede calcularse de diversas maneras.
Por ejemplo: )t(
Ps
Pw100RH%
Donde Pw = presión parcial de agua
Ps = presión de saturación del vapor de agua t = temperatura ambiente a °C
Ejemplo:
1. La temperatura del aire es de 30°C y el aire tiene 9g de vapor de agua por metro cúbico (humedad absoluta). Dividiendo 9 × 30 y multiplicando por 100 obtenemos una humedad relativa del 30%: el aire tiene un 30% del vapor de agua que podría retener con la temperatura actual.
2. La temperatura del aire se reduce hasta 20°C. Dividiendo 9, el vapor que realmente está en el aire, por 17, el vapor que realmente podría retener con esta nueva temperatura, y multiplicando por 100 se obtiene una humedad relativa del 53%.
3. El aire baja su temperatura hasta los 10 °C, dividiendo 9 × 9 y multiplicando por 100 obtenemos una humedad relativa del 100%; el aire ahora tiene todo el vapor de agua que puede retener con su nueva temperatura.
Las especificaciones más importantes que se deben tener presentes al seleccionar un sensor de temperatura son las siguientes: Exactitud
Repetibilidad
Intercambiabilidad
Estabilidad en el tiempo
Capacidad para recuperarse frente a la condensación
Resistencia a contaminantes químicos y físicos
Tamaño
Embalaje
Efectividad frente a costes
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Factores adicionales significativos a largo plazo son los costes que conlleva la sustitución del sensor, las calibraciones en laboratorio y sobre el terreno y la complejidad y fiabilidad de los circuitos de acondicionamiento de la señal y de adquisición de datos (DA). Para que todas estas consideraciones tengan sentido, el posible usuario debe conocer cuáles son los tipos de sensores de humedad de uso más amplio y la tendencia general en cuanto a lo que se espera de su rendimiento. En las siguientes "Definiciones útiles" se ofrecen definiciones sobre la humedad absoluta, el punto de rocío, la humedad relativa, etc.
Definiciones útiles: Humedad: Humedad Se refiere al contenido en vapor de agua del aire o de otros gases. Las mediciones de humedad se pueden indicar en diversos términos y unidades. Los tres términos de uso más común son los de humedad absoluta, punto de rocío y humedad relativa (HR). Humedad absoluta: La humedad absoluta es el coeficiente de masa de vapor de agua frente a volumen de aire o de gas. Lo común es expresar este valor en gramos por metro cúbico. Se puede calcular a partir de unos valores conocidos de HR, temperatura o bulbo seco, o se puede medir directamente. Punto de rocío: El punto de rocío, que se expresa en °C o °F, es la temperatura y la presión a la cual el gas comienza a condensarse para formar un líquido. Humedad relativa: La abreviatura es HR, y se refiere al coeficiente (en porcentaje) del contenido de humedad del aire frente al nivel de humedad saturado a la misma temperatura y la misma presión. Presión real de vapor: La presión parcial que ejerce el actual vapor de agua. Coeficiente de mezcla: La masa de vapor dividida por la masa de aire seco. Saturación de aire: La condición en la cual la cantidad de vapor de agua presente en el aire es la máxima posible con la temperatura y la presión existentes en ese momento. Presión del vapor de saturación: La presión parcial máxima que podrían ejercer las moléculas de vapor de agua si el aire estuviera saturado de vapor a una temperatura determinada. Humedad específica: La masa de vapor de agua dividida por la masa total del aire.
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Para seleccionar un sensor de humedad, disponemos de una revisión de tres tecnologías: Sensores de humedad capacitativos Los sensores de humedad relativa capacitativos (véase la Figura 5.33 siguiente) se utilizan de manera amplia en aplicaciones industriales, comerciales y de telemetría meteorológica.
Figura 5.33 - Sensores de humedad capacitativos Consisten en un sustrato sobre el cual se deposita una película fina de polímero o de óxido metálico, entre dos electrodos conductores. La superficie de detección está recubierta de un electrodo de metal poroso para protegerla frente a la contaminación y la condensación. El sustrato suele ser vidrio, cerámica o silicio. El cambio incremental de la constante dieléctrica de un sensor de humedad capacitativos es casi directamente proporcional a la humedad relativa del entorno circundante. El cambio de capacitación suele ser de 0,2-0,5 pF con un cambio de la humedad relativa del 1%, mientras que la capacitancia bruta está comprendida entre 100 y 500 pF con una humedad relativa del 50% a 25 °C. Los sensores capacitativos se caracterizan por presentar un bajo coeficiente de temperatura, por su capacidad para funcionar con altas temperaturas (de hasta 200 °C), su recuperación completa frente a la condensación y una buena resistencia frente a vapores químicos. Los tiempos de respuesta oscilan entre los 30 y los 60 segundos cuando se produce un cambio acusado en la humedad relativa del 63%. Los sensores capacitativos de capa fina también pueden incluir circuitos de acondicionamiento de la señal, monolíticos e integrados en el sustrato. El acondicionador de señal de uso más amplio incluye un temporizador de tecnología CMOS para ofrecer impulsos al sensor y producir una salida de tensión casi lineal.
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Sensores de humedad resistivos Los sensores de humedad resistivos (véase la Figura 5.34 siguiente) miden el cambio de la impedancia eléctrica de un medio higroscópico como puede ser un polímero conductor, una sal o un sustrato provisto de tratamiento.
Figura 5.34 - Sensores de humedad resistivos El cambio de impedancia suele presentar habitualmente una relación exponencial inversa con la humedad (véase la Figura siguiente).
(a 25 °C)
Los sensores resistivos suelen consistir en electrodos de metales nobles depositados bien sobre un sustrato mediante técnicas fotorresistivas o bien electrodos helicoidales sobre un cilindro de plástico o de vidrio. El sustrato está recubierto de una sal o de un polímero conductor. Cuando se disuelve o se suspende en un ligante líquido, actúa como vehículo para recubrir homogéneamente el sensor. Como alternativa, el sustrato se puede tratar con productos químicos activadores, por ejemplo ácidos. El sensor absorbe el vapor de agua y se disocian grupos funcionales iónicos, con lo que se produce un aumento de la conductividad eléctrica. El tiempo de respuesta en la mayoría de los sensores resistivos oscila entre los 10 y los 30 segundos cuando se produce un cambio acusado del 63%. El intervalo de impedancias de los elementos resistivos típicos suele estar comprendidos entre 1 kΩ y 100 MΩ.
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La mayoría de los sensores resistivos utilizan una tensión de excitación simétrica de CA donde no existe derivación de CC para evitar la polarización del sensor. El flujo de corriente resultante se convierte y se rectifica para dar una señal de tensión de CC destinada a su ajuste de escala adicional, amplificación, linealización o conversión analógico/digital (véase la Figura siguiente). La frecuencia de excitación nominal suele ser de 30 Hz a 10 kHz.
En entornos residenciales y comerciales, la esperanza de vida de estos sensores es >> 5 años, pero la exposición a vapores químicos y a otros contaminantes como las nieblas de aceite pueden provocar que se averíen antes de tiempo. Otra desventaja de algunos sensores resistivos es su tendencia a ofrecer valores desplazados cuando se exponen a la condensación si se utiliza un revestimiento soluble en agua. Los sensores de humedad resistivos tienen una dependencia de la temperatura significativa cuando se instalan en entornos donde existen grandes fluctuaciones de la temperatura (>10°F). De manera simultánea, la compensación de la temperatura se incorpora para ganar precisión. Su pequeño tamaño, baratura, facilidad de intercambio y estabilidad en el tiempo convierte a estos sensores resistivos en adecuados para su utilización en productos de control y presentación para aplicaciones industriales, comerciales y residenciales. Los últimos avances en sensores de humedad resistivos utilizan un revestimiento cerámico para superar las limitaciones que conllevan los entornos en que se presenta condensación. Los sensores se componen de un sustrato cerámico donde se han depositado electrodos de metales nobles mediante un proceso de fotorresistencia. La superficie del sustrato está recubierta con una mezcla ligante de polímero conductor/cerámica y el sensor se instala en una carcasa plástica provista de un filtro contra el polvo.
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Sensores de humedad por conductividad térmica Estos sensores (véase la Figura de más abajo) miden la humedad absoluta cuantificando la diferencia que se produce entre la conductividad térmica del aire seco y la del aire que contiene vapor de agua. Cuando el aire o el gas está seco, tiene una mayor capacidad de "sumir" calor, como ocurre por ejemplo en los climas desérticos. Un desierto puede ser extremadamente caliente durante el día pero por la noche la temperatura se reduce con rapidez debido a las condiciones de sequedad de la atmósfera. En comparación, los climas húmedos no se enfrían con tanta rapidez por la noche ya que el calor lo conserva el vapor de agua presente en la atmósfera. Los sensores de humedad por conductividad térmica (o sensores de unidad absolutos) se componen de dos elementos termistores con coeficiente de temperatura negativo compensado (NTC) en un circuito de puente; uno está encerrado herméticamente en nitrógeno seco y el otro está expuesto al medio.
Cuando la corriente pasa por los termistores, el calentamiento resistivo aumenta su temperatura hasta >200 °C. El calor que disipa el termistor sellado es mayor que el de el termistor expuesto debido a la diferencia de conductividad térmica del vapor de agua frente a la que presenta el nitrógeno seco. Como el calor disipado produce distintas temperaturas de funcionamiento, la diferencia de resistencia de los termistores es proporcional a la humedad relativa. Los sensores de humedad absoluta se suelen utilizar por lo común en aparatos como las secadoras de ropa y los hornos de microondas así como en los hornos de inyección de vapor. Las aplicaciones industriales son las de los hornos para secar madera; la maquinaria para secar productos textiles, papel y sólidos químicos, la producción farmacéutica, para cocinar y para la deshidratación de alimentos. Como uno de los subproductos de la combustión y del funcionamiento de las celdas de combustibles es el vapor de agua, se ha prestado bastante interés a utilizar los sensores de humedad absoluta para monitorizar la eficiencia de estas reacciones. En general, los sensores de humedad absoluta proporcionan mayor resolución a temperaturas >200 °F de la que se obtiene con los sensores resistivos y capacitativos, y se puede utilizar en aplicaciones donde estos sensores quedarían destruidos. La precisión típica de un sensor de humedad absoluta es de signo +3 g/m3; esto se traduce en un ± 5% de humedad relativa a 40 °C y ± 0,5% de humedad relativa a 100 °C.
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Resumen Los rápidos avances en la tecnología de semiconductores, como las de deposición de capa fina, atomización catódica y los revestimientos de cerámica/silicio han posibilitado fabricar sensores de humedad de gran precisión que sean resistentes a contaminantes químicos y físicos, a precios económicos. Sin embargo, no existe un solo sensor que pueda ser satisfactorio en todas y cada una de las aplicaciones. Cada una de las tecnologías de sensor: resistiva, capacitativa, de conductividad térmica ofrece sus propias ventajas. Los sensores resistivos son intercambiables, se pueden utilizar en puntos remotos y presentan eficacia frente a costes. Los sensores capacitativos ofrecen un intervalo amplio de humedad relativa y tolerancia frente a la compensación y, si están recortados mediante láser, también son intercambiables. Los sensores de conductividad térmica presentan un buen rendimiento en entornos corrosivos y a elevadas temperaturas. Por lo tanto, en la mayoría de las aplicaciones, las condiciones ambientales dictan cuál será el sensor elegido. Aplicaciones: La humedad de la atmósfera afecta a muchas cosas, como: Comodidad - Los seres humanos y los animales controlan la temperatura del cuerpo sudando.
La mejor humedad para los seres humanos es la de 40-60%. Sudar con humedad elevada es menos efectivo de manera que sentimos más calor. El aire seco se siente más frío a temperatura ambiente, lo que provoca incomodidad, menor productividad y la petición de aumentar la calefacción. Cuando la humedad relativa es la ideal, las temperaturas del edificio se pueden reducir sin provocar incomodidades a las personas.
Crecimiento de plantas y hongos - Las plantas prefieren un nivel de humedad particular, por
ejemplo bajo en el caso de los cactus y alto en el caso de las plantas de las selvas tropicales. Los hongos, los mohos y los microbios prosperan con la humedad elevada.
Materiales en almacenamiento - Los materiales se descomponen con mayor rapidez cuando la humedad es elevada; por ejemplo, se pudre la madera. El óxido y la corrosión de los metales se incrementa cuando la humedad relativa es superior al 60%. Los vegetales tienen un contenido de agua elevado. ¡Si se almacenan en lugares secos su valor se evapora!
Electricidad estática - Con la humedad baja, la electricidad estática aumenta debido a que el aire seco es mejor aislante que el aire húmedo. Esto puede causar: Descargas eléctricas a objetos conectados a tierra después de caminar sobre alfombras sintéticas, problemas con las máquinas fotocopiadoras, riesgo de chispas y de explosión de gases y vapores, averías de los circuitos electrónicos integrados. Si la humedad está comprendida en el intervalo del 40-60%, este problema se reduce.
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Salud - Con una humedad reducida, aumenta el número de partículas de polvo presente en el aire. Las bacterias y los virus viven más y pueden convertirse en parte del polvo en suspensión. Con una humedad elevada los modos y los microbios aumentan, provocando lo siguiente: Enfermedad de los legionarios, pulmón del granjero, reacciones alérgicas y asmáticas.
Control de procesos - Las propiedades físicas de los materiales cambian con la humedad y, por lo tanto, ésta se debe someter a control en los procesos de fabricación para obtener resultados homogéneos, como es el caso de las industrias del papel, polvos, textiles y plásticos.
Las especificaciones del sensor de humedad del DL 2312HG se presentan en la tabla siguiente:
Tabla 5.10
DL 2312HG
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5.7 Transductores para Velocidad Rotacional con Aplicaciones en Medición de Posición Angular 5.7.1 El Transductor Optoeléctrico de Ranura
Figura 5.35
La figura 5.35 muestra la construcción de un transductor optoelectrónico de ranura que consista en un L.E.D. infrarrojo y un fototransistor montado a ambos lados de la ranura, en una caja de plástico con orificios en la cara interna de ambos lados. La ranura entre ellos permite que la gama de rayos infrarrojos sea interrumpida cuando se introduce un cuerpo opaco. La corriente en el colector del fototransistor es baja cuando no pasa la gama de rayos y alta cuando estos pasan. Los pulsos del voltaje positivo se obtienen del circuito del emisor del fototransistor cada vez que la gama de rayos pasa. De aquí el dispositivo se adapta para las aplicaciones de medida de velocidad y conteo.
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El sistema entrenador incluye un disco de aluminio montado sobre la flecha del motor, con un pequeño orificio cercano a la periferia, además de un LED que marca la posición en la que se permite el paso del haz.
Figura 5.36
La figura 5.36 muestra el diagrama eléctrico que representa este transductor en el Sistema Entrenador DL 2312HG. Las características de los dispositivos que conforman este transductor son:
Diodo
VF max (IF =20mA) 1.7V VR max 3 V IF max (25°C) 50mA
Fototransistor
VCEO max 30V VECO max 5 V PD max 150mW a 25°C
General
Tiempo de Respuesta 5s
Corriente de Operación VCE =5V, IF x 10mA 3mA
Tabla 5.11
DL 2312HG
ver a20131207 93
5.7.2 El Transductor Optoreflexivo
Figura 5.37
La figura 5.37 muestra como esta formado un transductor optoreflexivo: es un dispositivo que tiene un LED infrarrojo y un fototransistor, como en el transductor de ranura, solo que están colocados de forma tal que el haz refleje correctamente sobre una superficie reflexiva localizada a cierta distancia. Una superficie no reflexiva interrumpe al haz. Para el sistema entrenador DL 2312HG, se usan tres unidades optoreflexivas de éste tipo. La superficie reflexiva es un disco de código Gray localizado a aproximadamente 4mm del transductor. Cuando el haz no se refleja, la salida del emisor del fototransistor es baja, y cuando el haz es reflejado, la salida es alta. Los tres L.E.D. indican cuando el haz se refleja de la unidad respectiva (A, B, C). La salida A es el bit menos significativo (l.s.b) y la salida C es el bit más significativo (m.s.b).
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El código Gray se utiliza en el disco codificado, más que incluso el código binario, debido a que solo cambia uno de sus dígitos a la vez, lo cual minimiza cualquier posibilidad de error al identificar la posición real del disco, cuando éste en un límite de segmento. La distribución del disco en el código Gray y las salidas respectivas de los LED´s se muestran en la figura 5.38.
Figura 5.38
Las áreas negras cortan el haz y producen una salida baja del transductor asociado, mientras que las áreas blancas reflejan el haz y producen una salida alta. En el sistema entrenador DL 2312HG, esta sección trabaja como un transductor de posición y rotación angular, pero los mismo principios pueden usarse en aplicaciones de posición lineal utilizando los dispositivos optoeléctricos ranurados y un disco transparente.
Figura 5.39
La figura 5.39 muestra un disco de código Gray lineal, representando los segmentos superiores a él l.s.b y los inferiores al m.s.b. La precisión en la posición que se forma por los tres dispositivos y el código de 3 bits, es baja, pero puede mejorarse al aumentar el número de dispositivos.
DL 2312HG
ver a20131207 95
La distribución básica del circuito eléctrico dado para el sistema DL 2312HG se muestra a continuación.
Figura 5.40
Las características principales del dispositivo son las siguientes:
Diodo
VF max (IF =40mA) 1.8V VR max 2 V IF max (25°C) 40mA PD max 75mW (1.27mW/°C a 25°C)
Fototransistor
VCEO max 15V VECO max 5 V PD max 50mW (0.91mW/°C a 25°C)
General
Distancia Optima 4.6 mm
Tabla 5.12
DL 2312HG
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5.7.3 El Transductor Inductivo
Figura 5.41
La figura 5.41 muestra el esquema y el circuito eléctrico del transductor Inductivo incorporado al sistema DL 2312HG. Consta de un imán permanente y una bobina, que en realidad funcionan como un generador de corriente continua. Cuando el disco de hierro pasa por encima del imán, da una tensión cero y al llegar a la ranura aparece un pulso debido a la variación del flujo magnético. Las características fundamentales son las siguientes:
Resistencia de la Bobina 340 20% Inductancia 64 mH 20% Pico de Salida 60 V
Tabla 5.13
DL 2312HG
ver a20131207 97
5.7.4 Transductor de Efecto Hall
Figura 5.42
La figura 5.42 muestra la construcción del transductor de Efecto Hall adaptado al sistema DL 2312HG. El transductor de efecto Hall consiste en un sensor del efecto Hall y un imán de tierra rara montados en a cubierta plástica de bajo costo. El imán produce un flujo magnético óptimo en el sensor de efecto Hall. El sensor tiene un transistor abierto de salida el cual es activado cuando la ranura está abierta. Cuando la ranura is bloqueada por un material ferroso, reduciendo la densidad del flujo magnetico sensor del efecto Hall, el transistor abierto de salida se apaga. El dispositivo proporciona hasta 25 mA de corriente. Las caracteristicas de salida son constantes al cambiar de frecuencias de DC a 200 Hz. El unipolar se prende con (nivel logico “0”) campo magnético del polo sur de un imán acercara a la cara simbolizada del dispositivo (punto operativo) y apage (nivel logico “1”) después del campo magnético alcanzara un valor mínimo. Esta característica hace estos sensores ideales aplicaciones de no contacto. El diagrama del circuito eléctrico para el Entrenador Dl 2312HG se muestra en el afigura 5.43
Figura 5.43
DL 2312HG
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Sus características principales son las siguientes:
Voltaje de Alimentación, Vcc 25 V
Rango de Temperatura de Almacenaje, TS 50°C a +160°C
Rango de Temperature de Operación, TA 50°C a +150°C
Conducir la temperatura que suelda (1/8 pulg. (3.2 milímetros) del caso para 5 sec. con cautín).
260°C
Corriente de Salida (ON), ISINK 25 mA
Voltaje de Salida, VOUT 25 V
Densidad del Flujo Magnético, B Ilimitado
Tabla 5.14
DL 2312HG
ver a20131207 99
5.7.5 El Tacogenerador C.C de Imán Permanente La figura 5.44 muestra en forma general, la estructura interna del Tacogenerador de imán permanente DC; esta compuesto de un grupo de bobinas conectadas a un colector o interruptor de escobillas que gira dentro de un estator magnético permanente.
Figura 5.44
Con las bobinas girando, se genera una f.e.m alterna y el conmutador la convierte en DC. La magnitud de la f.e.m generada es proporcional a la velocidad de rotación y la polaridad depende de la dirección de rotación. El circuito eléctrico del dispositivo para el DL 2312HG se muestra en la figura 5.45.
Figure 5.45
Los diodos se adaptan para limitar cualquier pico de voltaje que pueda generar la conmutación (esto es, conversión de C.A a C.C.) hasta de 12 V.
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Las características principales de éste dispositivo son:
Voltaje a circuito abierto, 3600 r.p.m. 1V Voltaje de salida max. 2.4V Impedancia de Salida 1.5 Ruido de Salida 20mVpp Máxima frecuencia de Operación 50kHz
Tabla 5.15
DL 2312HG
ver a20131207 101
5.8 Sensores Transductores de Sonido
5.8.1 El Micrófono Dinámico.
Figura 5.46
En un condensador .microphone, también conocido como condensador de micrófono, el diafragma actúa como una placa de un condensador, y las vibraciones producen cambios en la distancia entre las placas. Puesto que las placas se predisponen con una carga fija (q), el voltaje se mantiene a través de los cambios de las placas del condensador con las vibraciones en el aire, según la ecuación de la capacitancia:
Q = C * V
Donde Q = carga en culombios, C = capacitancia en faradios y V = diferencia potencial en voltios. La capacitancia de las placas es inversamente proporcional a la distancia entre ellas para un condensador de la paralelo-placa (véase la capacitancia para los detalles.):
d
AC
Los condensadores de micrófonos pueden ser costosos y requerir una fuente de alimentación, proporcionada comúnmente a partir mic de entrada como energía fantasma, pero dan una señal de alta calidad de sonidos y ahora son la opción preferida en usos laboratorios y estudios de grabacion.
Figura 5.47
DL 2312HG
102 ver a20131207
Las principales características del sipositivo son las siguientes:
Sensibilidad -46 ±3dB
Impedancia Menos de 2.2 KΩ
Direccionalidad Omnidireccional
Voltaje de operación normal 3 V
Consumo de corriente Max. 0.5 mA
Reducción de Sensibilidad Within -3dB at 1.5V
S/N ratio Más de 58dB
Tabla 5.16
DL 2312HG
ver a20131207 103
5.8.2 El receptor Ultrasónico El esquema de construcción de un receptor ultrasónico y el diagrama eléctrico correspondiente, adaptado al sistema DL 2312HG se muestra en la figura 5.48. El dispositivo consta de un elemento piezoeléctrico cerámico fijo a un pequeño diafragma dentro de un contenedor de la unidad.
Figura 5.48
La operación del dispositivo se basa en el principio de que los materiales cerámicos producen una tensión cuando se les contrae. A esto se le denomina el efecto "piezoeléctrico". La vibración del diafragma contrae al elemento de cerámica, lo que genera un voltaje de salida. Las dimensiones de los componentes están establecidas para que exista una resonancia a unos 40KHz. Por tanto el dispositivo tiene mayor ganancia en la salida para frecuencias en torno a los 40KHz Esta frecuencia está fuera del rango normal de audio (máximo 20kHz) y por ello se le llama ultrasónico.
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Las características principales del dispositivo son las siguientes:
Frecuencia 40kHz
Capacitancia 2000pF Receptor BW 3.5kHz/-71dB sensibilidad 65dB/40 + 1kHz R=3.9k Amplitud de Salida (min.).
5mV
Tabla 5.17
DL 2312HG
ver a20131207 105
Capítulo 6 Transductores de Salida
6.1 Transductores para Sonido 6.1.1 El Altavoz de Bobina Móvil
Figura 6.1
La estructura de un altavoz de bobina móvil es muy similar a la de un micrófono de bobina móvil, y se muestra en la figura 6.1. La bobina de imán permanente y el diafragma son esencialmente iguales, pero en este caso el diafragma esta junto a un cono de papel sostenido a un armazón que le permita moverse con la bobina. Un voltaje alternativo aplicado a la bobina hace que ésta se mueva hacia delante o atrás en el campo magnético. Con la frecuencia aplicada dentro de un rango audible (es decir 50 – 20kHz), el movimiento del cono causará una variación de presión en el aire a ésa frecuencia y producirá un tono que es audible al oído humano. El circuito eléctrico del dispositivo adaptado al DL 2312HG se muestra en la figura 6.1, siendo la resistencia de 100 apropiada para limitar la disipación de potencia máxima a 98mW. Las características representativas del dispositivo, se indican a continuación:
Impedancia (Z) 8 Potencia 200m W max. Respuesta en Frecuencia (-3dB) 150-5000Hz
Tabla 6.1
DL 2312HG
106 ver a20131207
6.1.2 El Transmisor Ultrasónico
Figura 6.2
La figura 6.2, muestra los elementos principales y el diagrama eléctrico del transmisor ultrasónico integrado al sistema entrenador DL 2312HG. Fundamentalmente su construcción es igual a la del receptor ultrasónico. La diferencia reside en que el transmisor tiene una impedancia de entrada baja para que sea posible obtener una potencia de salida alta. Las características principales de éste dispositivo se indican en la siguiente tabla.
Frecuencia 40kHz
Capacitancia 2000pF Transmisor BW 4KHz/112dB, SPL 119dB/40 + 2kHz/10V SN Salida min. 5mV
Tabla 6.2
Los dispositivos trabajan con un oscilador de 40KHz y se utilizan en conjunto con el receptor ultrasónico. (Véase ejercicios).
DL 2312HG
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6.1.3 El Buzzer
Figura 6.3
La construcción general del buzzer utilizado en el sistema DL 2312HG se muestra en la figura 6.3. Esta consta de un pequeño circuito oscilador de estado sólido que entrega una f.e.m alterna, a una bobina con núcleo de hierro. El campo magnético alterno producido por la bobina, atrae y repela a un imán permanente sujetado a un resorte. El imán vibra contra un diafragma que emite un sonido de frecuencia sensiblemente constante. En aplicaciones de control, el dispositivo se usa como una alarma. El circuito eléctrico del dispositivo se muestra también en la figura 6.3. El diodo evita posibles daños en el circuito de estado sólido, en caso de conectar la alimentación erróneamente. La eterización de entrada debe ser de polaridad positiva, siendo el voltaje de 12V. Las características principales del buzzer montado en el DL 2312HG, son las siguientes:
Voltaje de Alimentación 8V 12V 16V (max) Corriente de Alimentación 11mA 20mA 28mA Frecuencia de Salida 380Hz 400Hz 420Hz
Nivel de Ruido de Salida 80dB, 3m
Tabla 6.3
DL 2312HG
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6.2 Transductores de Salida para el Movimiento Angular o Lineal
6.2.1 El Solenoide de DC
Figura 6.4
Un solenoide esta constituido basicamente de un núcleo flexible de hierro y un eje actuador libre de movimiento en la bobina. Con la bobina sin energía un resorte mantiene el centro en posición neutral, como un paro mecánico. Aplicando el voltaje nominal a las terminales de la bobina, el núcleo flexible de hierro es atraído cerca del espiral y permanece en esa posición. Cuando el voltaje es removido, el núcleo regresa a su posición neutral por la acción del resorte.
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ver a20131207 109
El voltaje actual requerido para atraer al núcleo, debe ser menor al valor nominal, además el valor dependerá de la carga aplicada al eje actuador. El voltaje al cual el núcleo es arrastrado por la bobina, se le llama "voltaje de hauling". Con la bobina energizada, y el centro atraído, algún decremento gradual en el voltaje hasta cierto valor ocasionará que el centro regrese a su posición neutral bajo la acción del resorte. Para este voltaje nos referimos a un "voltaje de liberación". El valor de este voltaje también depende de la carga aplicada al eje actuador. La figura 6.5. muestra el diagrama eléctrico del dispositivo montado al DL 2312HG.
Figura 6.5
Cuando desconectamos una bobina, el campo magnético generado alrededor, produce en el resorte una f.e.m de signo contrario al voltaje alimentado y cesa cuando la bobina ha descargado la energía almacenada debido a la inductancia. Los diodos en el circuito limitan algún voltaje inducido para un máximo de aproximadamente 12.5V. Las características principales del solenoide integrado al DL 2312HG, son las siguientes:
Resistencia de la Bobina 50 Potencia de Disipación 3W Voltaje de Bobina 12V Voltaje de arrastre (6mm recorrido) 6V Voltaje de Liberación 2V Recorrido max 12mm
Tabla 6.4
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6.2.2 EL Relevador de DC
Figura 6.6. La figura 6.6 muestra la construcción elemental de un relevador con bobina de DC. Esta constituido por una bobina de núcleo de hierro, sujeta a un espiral sostenido exactamente arriba del núcleo. La conmutación en los contactos se le atribuye a la lengüeta con la que el relevador cambia de una posición a otra. Inicialmente uno de los contactos esta en posición de conducción y se le denomina contacto normalmente cerrado (Normally Close, N.C), al otro contacto, por lo tanto, se le denomina contacto normalmente abierto (Normally Open, N.O) Con la bobina conectada a un voltaje nominal, el núcleo se magnetiza y atraerá la lengüeta. Esto provoca que se desconecte el contacto N.C, y conecte a N.O. Con este tipo de construcción, los contactos producirán un rebote de corta duración, cada vez que se cierre o abra (make o break), esto puede provocar problemas con algunos circuitos. Este problema puede resolverse utilizando un circuito antirebotes o a través de un retardo de tiempo antes de revisar el estado del contacto después de la operación.
Figura 6.7
Común Bobina
Contactos
NO NC
DL 2312HG
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La figura 6.7 muestra el circuito eléctrico adaptado al DL 2312HG. Los diodos limitan algún voltaje inducido a un máximo aproximado de 12V, concerniente al dispositivo del solenoide. Sus características son las siguientes:
Voltaje en la Bobina 12V Resistencia de la Bobina 300 Potencia Nominal 500mW Voltaje de Operación 7.5V Voltaje de liberación en la Bobina 1.8V Tiempo de Operación cierra/abre 15-20ms Temperatura -40°C +70°C Voltaje Nominal 30V = 240~
Tabla 6.5
DL 2312HG
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6.2.3 La Válvula de Aire Electrónica La figura 6.8 muestra la constitución básica de la válvula de aire adaptada al DL 2312HG. Su construcción es muy similar a la de un solenoide, pero el núcleo de hierro flexible, opera con dos válvulas, la de entrada y la de salida.
Figura 6.8
Cuando la bobina no esta energizada, el resorte o muelle de retroceso mantiene el núcleo en posición con la válvula de entrada cerrada y la válvula de salida abierta. En este caso la puerta cilíndrica se conecta a la puerta de salida. Cuando la bobina esta energizada, el núcleo permanece con la válvula de salida cerrada y la válvula de entrada abierta. En esta posición la puerta de entrada esta conectada a la puerta cilíndrica. En el Sistema DL 2312HG, la puerta de entrada se conecta a una bomba y la puerta cilíndrica a un actuador neumático. Con la bomba en posición de encendido (ON), el actuador neumático operará al energizarse la bobina, ilustrando así el principio de control electrónico de los dispositivos neumáticos.
DL 2312HG
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El circuito eléctrico del dispositivo adaptado al sistema DL 2312HG se muestra en la figure 6.9.
Figura 6.9
Las características principales de éste dispositivo se indican a continuación:
Voltaje estimado en la Bobina 24V Resistencia de la Bobina 140 Voltaje de Operación 8.3V Voltaje Liberación 1.7V
Tabla 6.6
DL 2312HG
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6.2.4 El Motor DC de Imán Permanente La construcción básica de un motor de imán permanente se muestra en la figure 6.10. La unidad es idéntica al Tacogenerador pero para aplicaciones con motores, sus bobinas se alimentan a través de corriente directa. La corriente que fluye a las bobinas ubicadas en la armadura del campo de imán permanente, produce una fuerza que genera la rotación.
Figura 6.10
La fuerza que actúa sobre la armadura es proporcional al flujo de corriente. Cuando la armadura rota, se induce una f.e.m en las bobinas, exactamente igual a la que se produce en el Tacogenerador, esta f.e.m es opuesta al voltaje aplicado por lo tanto nos referimos a esta como "fuerza contraelectromotriz". La armadura se acelerará hasta que la velocidad es suficiente como para producir una fuerza contraelectromotriz similar al voltaje aplicado a la armadura. La velocidad sin carga sobre la flecha será mayor o menor proporcionalmente al voltaje aplicado. Cuando se aplica una carga a la flecha del motor, la velocidad tiende a caer, reduciendo la fuerza contraelectromotriz. El flujo de corriente producido por la fuente de alimentación, deberá ser el suficiente como para producir un torque grande que balancee el torque de carga. La velocidad disminuirá ligeramente por el efecto de carga, debido a la reducción de voltaje en las bobinas de la armadura, causada por la corriente elevada.
DL 2312HG
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El circuito eléctrico del dispositivo es el siguiente:
Figura 6.11.
La resistencia de 1 es adecuada para permitir el control de la corriente tomada por la reducción de voltaje en este. Los diodos limitan el voltaje hasta un máximo aproximado de 12V. El capacitor C1 da algo de ruido cuando los filtros y la combinación L1, L2 y C2 el R.F. reduce el ruido difundido. Las características principales del dispositivo incluido en el DL 2312HG, son las que a continuación se indican:
Resistencia DC 6.2 Velocidad del eje (Sin carga, 12V aplicados) 3000 rev/min max. Par de Arranque 7Ncm/A Par Constante 3.5 Ncm/A Constante de Tiempo 19.6ms Eficacia 82% max
Tabla 6.7
DL 2312HG
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