Práctica 2 Proyecto Control on.off de Un Vivero

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA

Título de la Práctica de Laboratorio (10)

Proyecto: Control on/off de un vivero usando sensores RTD, higrómetro y LDR, para controlar la temperatura, humedad relativa e intensidad lumínica.

Guías de Prácticas de Laboratorio

Codificación: (1)INGMCT-G-183

Número de Páginas: (2)

17

Revisión No.: 3

Fecha Emisión: (4)2015/07/17

Laboratorio de: (5)SENSORES

Título de la Práctica de Laboratorio: (6)Proyecto: Control on/off de un vivero usando sensores RTD, higrómetro y LDR,

para controlar la temperatura, humedad relativa e intensidad lumínica.

Elaborado por: (7)

Javier Villamizar Pinzón Docente de la asignatura

Laboratorio sensores.

Revisado por: (8)

Olga Lucia Ramos. Coordinador Area

programa de Ingeniería Mecatrónica

Aprobado por: (9)

Olga Lucia RamosCoordinador Area

programa de Ingeniería Mecatrónica

El uso no autorizado de su contenido así como reproducción total o parcial por cualquier persona o entidad, estará en contra de los derechos de autor Pagina 1 de 16




Control de Cambios

Razones del Cambio Cambio a la Revisión # Fecha de emisiónGuía de práctica de laboratorio

inicial3 2015/07/17





FACULTAD O UNIDAD ACADÉMICA: Ingeniería(11)

1. PROGRAMA: Mecatrónica (12)

2. ASIGNATURA: Sensores (13)

3. SEMESTRE: Quinto (14)

4. DURACION: Cuatro sesiones de laboratorio

5. OBJETIVOS: (15)

Realizar el control de temperatura on–off de un vivero usando un sensor resistivo RTD ( PT 100 o PT 1000 ) para un rango de 20 a 50 grados Celsius.

Realizar el control de humedad relativa on-off usando un higrómetro para un rango entre 40 y 50.

Realizar el control de intensidad luminosa usando un LDR ( fotoresistencia ), rango en lúmen a determinar en la práctica.

6. COMPETENCIAS A DESARROLLAR: (16)

Acondicionar, procesar y visualizar sensores RTD, LDR e higrómetro en un control on-off para un vivero. Seleccionar los sensores que correspondan a la aplicación con el fin de evitar sobrecostos y minimizar el tiempo de ejecución del proyecto.

7. MARCO TEORICO: (17)

SENSORES RESISTIVOS

DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS (RTD).

La teoría de los sensores RTD se explicó en la practica 1.





HIGROMETROS O SENSORES DE HUMEDAD

La humedad es la cantidad de vapor de agua presente en un gas (en inglés, “humidity”) o de agua adsorbida o absorbida en un líquido o un sólido (en inglés, “moisture”).

Normalmente se mide la humedad relativa que es la relación entre la presión parcial del vapor de agua presente y la necesaria para que hubiera saturación a una temperatura dada. Se expresa en tanto por ciento (%RH). También cabe hablar de la humedad absoluta que es la masa de vapor de agua contenida en un volumen dado de gas (g/m3).

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL HIGROMETRO

La mayoría de los aislantes eléctricos presentan un descenso brusco de resistividad al aumentar la humedad de su entorno. Si se mide la variación de su resistencia se tiene un higrómetro resistivo (“humistor”).

La relación entre la humedad relativa y la resistencia es no lineal. Para el modelo de la Figura 1.es casi exponencial y abarca cuatro décadas.

DISPOSICIÓN FÍSICA Y MATERIALES DEL HIGROMETRO

Se han empleado soluciones acuosas de una sal higroscópica (Cl Li, F2 Ba, P2 05) depositadas sobre un sustrato plástico, en forma de zigzag entre dos electrodos. Los sensores de humedad de sal higroscópica se fabrican en forma de obleas rectangulares y en formas cilíndricas, como puede apreciarse en la Figura 2. Un ejemplo son los “Elementos Dunmore” o “Higrómetros Dunmore”.

Figura 1. Variación de la resistencia con humedad para el sensor PCRC-1.





Fuente: PALLAS ARENY Ramón, Sensores y acondicionadores, Editorial alfaomega.

Figura 2. Elementos de higrómetros resistivos.

Fuente: PALLAS ARENY Ramón, Sensores y acondicionadores, Editorial alfaomega

Actualmente se dispone de elementos con la misma forma pero basados directamente en los cambios de resistividad del sustrato (un polímero), sin necesidad de película higroscópica, a base de tratar químicamente la superficie (ver Figura 3). Un ejemplo es el poliestireno tratado con ácido sulfúrico para conseguir una superficie de las características indicadas. Estos elementos de poliestireno sulfatado son también conocidos como “elementos Pope”.





Figura 3. Disposición física de un elemento de higrómetro resistivo basado en los cambios de resistividad del sustrato

Fuente: PALLAS ARENY Ramón, Sensores y acondicionadores, Editorial alfaomega

También cabe hablar de los elementos de Al2 03, aunque se emplean más por la variación de su capacidad que por la de su resistencia, Sin embargo, los higrómetros resistivos son más adecuados que lo capacitivos cuando la humedad relativa es alta.

Se ha utilizado un higrómetro resistivo de película de carbón. El elemento, en forma de oblea o cilíndrico, ha sido fabricado a partir de plástico acrílico, con electrodos metalizados y revestido con una suspensión de polvo de carbón en un portador de gelatina celulosa. La resistencia de estos sensores aumenta con la humedad relativa, al revés que en un higrómetro de sal.

ECUACIONES MATEMATICAS





Humedad absoluta:La humedad absoluta es la cantidad total de vapor de agua presente en un volumen dado de aire. Se da en [g/m³]

ecuación 1

Donde:mw = masa del vapor de agua pnet= volumen de la mezcla de aire y vapor de agua

Humedad relativa:La humedad relativa de una masa de aire es la relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene.

ecuación 2

Donde:

HR = es la humedad relativa de la mezcla de aire (%).p(H2O)= es la presión parcial de vapor de agua en la mezcla de aire (Pa).p∗(H2O) = es la presión de saturación de agua a la temperatura de la mezcla de aire (Pa).

ACONDICIONAMIENTO.

Los higrómetros resistivos hay que alimentarlos en alterna para evitar la electrolisis en el sensor.

La resistencia se debe medir con corriente alterna sin nivel de continua.

Los higrómetros resistivos presentan una respuesta no lineal a los cambios de la humedad.

Características estáticas:





Describen el comportamiento del sensor en régimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir.

Resolución Precisión Campo de medida Repetibilidad Linealidad Sensibilidad Inmunidad al ruido Histéresis

Características dinámicas:Muestra su actuación en régimen transitorio ante determinados estímulos estándar de la magnitud física.

Respuesta en frecuencia Velocidad de respuesta Estabilidad y derivas

CARACTERÍSTICAS ó ESPECIFICACIONES RELEVANTES

Se debe caracterizar el sensor con el fin de determinar:El rango de funcionamiento comprende un X1 a X2% de la RH.La precisión es de ±X% RH.La histéresis es inferior al X %RH.El tiempo de respuesta (cambio del X% de la humedad relativa) varía mucho según el tamaño, oscilando entre X1 y X2 s.El rango de temperaturas de operación abarca de X1 °C a X2 °C.El rango de impedancias de elementos resistivos típicos oscila entre X Ω y X2 KΩ.La frecuencia de excitación nominal se encuentra entre X1 Hz y X2 kHz.La repetitividad es de ±X% RH.La intercambiabilidad es inferior al X% RH.El coeficiente de temperatura es del orden de X% RH/ºC.





LDR O CELDAS FOTOCONDUCTORAS

La fotoresistencia ( LDRs, Light Dependent Resistors resistencias dependientes de la luz ) son sensores resistivos basados en semiconductores empleados para la medida y detección de radiación electromagnética.

Una LDR está constituida por un bloque de material semiconductor sobre el que puede incidir la radiación y dos electrodos metálicos en los extremos. Ver Figura 4.

Figura 4. Estructura de una LDR fabricada con material semiconductor fotosensible

Fuente: PEREZ GARCIA Miguel, Instrumentación electrónica, editorial PARANINFO.

La conductividad en los semiconductores depende del número de portadores de carga capaces de moverse. En un material semiconductor, el ancho de la banda prohibida o diferencia energética entre las banda de valencia y conducción. EG ( banda prohibida ) es intermedia entre los aislantes y los conductores. A bajas temperaturas, los semiconductores se comportan como aislantes porque casi todos los electrones se encuentran en la banda de valencia unidos a sus átomos. El aporte de energía, bien mediante un aumento de temperatura o mediante radiación electromagnética, puede modificar esta situación.

En el caso de radiación electromagnética, si un fotón de frecuencia ѵ y energía Ep ( Ep = h. ѵ donde h es la constante de Planck ) incide sobre un electrón, puede ocurrir que la nergía absorbida por éste sea superior a la energía de la banda





prohibída EG, en cuyo caso, el electrón se sitúa en un nivel energético superior dentro de la banda de conducción, dejando, a su vez, un hueco en la banda de valencia. La energía necesaria para llevar a cabo este proceso obliga a que Ep > EG. EG es una constante que depende del tipo de semiconductor; por tanto, existe una frecuncia mínima, ѵg, a partir de la cual se cumple la desigualdad anterior ѵg > EG / h. Expresado en términos de longitud de onda λ resulta:

λ g < hc / EG ecuación 3

siendo c la velocidad de la luz en el vacío. Esta expresión establece una lognitud de onda máxima, λ g, para conseguir la transición del electrón. La presencia de electrones en la banda de conducción y de huecos en la de valencia inducidos por fotones de suficiente energía da lugar a un incremento en la conductividad del semiconductor. Este fenómeno se denomina fotoconducitividad y es el fundamento de los sensores fotoconductivos.

TIPOS Y CONSTRUCCION

Una LDR típica consiste en una fina capa semiconductora sobre un sustrato cerámico o plástico. La película semiconductora describe una pista en zig-zag con contactos metálicos en los extremos ver Figura 5. La forma de la película sensitiva tiene por objeto maximizar la superficie de exposición y al mismo tiempo mantener un espacio reducido entre los electrodos para aumentar la sensibilidad.

Figura 5. LDR con una pista de zig-zag de material resistivo


MODELO DE LA LDREl uso no autorizado de su contenido así como reproducción total o parcial por cualquier persona o entidad, estará en

contra de los derechos de autor Pagina 10 de 16




La relación entre la resistencia de la LDR y la iluminación L puede modelarse a partir de la ecuación:

RL = Ro ( Lo / L )α ecuación 4

donde L es la iluminación ( en lux ), α es una constante que depende del material ( entre 0.7 y 1.5 ) son las resistencias a los niveles de luz L y Lo respectivamente.

La ecuación 4 se representa en la figura 6.

Figura 6. Relación resistencia – iluminación en una LDR.


Haciendo que el punto de inflexión de la expresión anterior coincida con el centro de nuestro intervalo de medida, se obtiene un valor de R dado por:

R = (α-1 / α+1) RLc ecuación 5

Donde RLc es la resistencia de la LDR en el punto central del intervalo de medida. La sensibilidad en ese punto se calcula como:

S (Lc) =(V/Lc) ( α2 – 1/ 4 α) ecuación 6





El valor de V debe limitarse para que no exista autocalentamiento, resultando:

V < 2 √ ᵟ∆TR ecuación 7

Siendo ᵟ el coeficiente de disipación de disipación y ∆T el incremento de temperatura máximo permitido por autocalentamiento.

En general, se recomienda que los dispositivos tengan alta resistencia para niveles de iluminación intensos y baja resistencia para niveles débiles.

CARACTERISTICAS DE LA LDR Ver la siguiente figura 7.


ACONDICIONAMIENTO DE LA LDR Ver la siguiente Figura 8.






REQUERIMIENTOS

8. MATERIALES, REACTIVOS, INSTRUMENTOS, SOFTWARE, HARDWARE O EQUIPOS: (18)

a. Instrumentos, dispositivos y accesorios electrónicos: Fuente DC Multímetro Resistencias diferentes valores óhmicos Potenciómetros diferentes valores óhmicos Sensor RTD (PT100 o PT 1000), higrómetro, LDR Caimanes Transistor 2N2222A Amplificado operacional LF353 Relevo 5 VDC 1 cubo para el vivero de 40 x 40 cm en acrílico 1 secador de cabello 1 bombillo de 120 Vac





1 Dimmer para regular la luminancia al bombillo Dispositivos de acondicionamiento y procesamiento

b. ComponentesCircuito de prueba (diseñado por el estudiante)

9. PRECAUCIONES CON LOS MATERIALES, REACTIVOS, INSTRUMENTOS Y EQUIPOS UTILIZAR : (19)

Conexión correcta de los equipos y circuitos, en particular no exceder la temperatura de la Mufla porque puede destruir el material de los sensores.

10.CAMPO DE APLICACIÓN: (20)Los sensores resistivos se aplican para medición, regulación y control de temperatura en: Ingeniería mecatrónica, Industria alimenticia, cuartos de equipos electrónicos y de comunicaciones, equipos de refrigeración, viveros, bodegas.

PROCEDIMIENTO, METODO O ACTIVIDADES: (21)

Asignación en el aula del proyecto por parte del profesorRealización de la parte teórica por parte del estudiante del diseño del circuito que represente la función solicitada.Aplicación de los sensores RTD, higrómetro y LDRDigitalización de la información obtenida por los sensores.Graficar los resultados obtenidos en la caracterización del higrómetro y LDR para calcular los parámetros de los sensores.

Etapa Responsable Lugar Actividad Instrumentos

Asignación Docente Aula Explicar y asignar la práctica. Caracterización y

Guía





linealización de los sensores

Desarrollo teórico

Estudiante Extraclase Desarrollo teórico del proyecto:Diagrama de bloques.

Guía de Lab.Textos,manuales de fabricantes

Desarrollo práctico (I)

Estudiante Extraclase Aplicación de los sensores.

Guía de Lab.Textos,manuales de fabricantes.Instrumentación de Lab.

Sustentación proyecto

Estudiante Aula del lab

Exponer el proyecto al profesor, sustentar los resultados, responder preguntas.

Guía de Lab.Textos,manuales de fabricantes.Instrumenta

ción de Lab.

11.RESULTADOS ESPERADOS: (22)

El circuito deberá cumplir con la función estipulada.El estudiante deberá saber explicar el funcionamiento del circuito.

12.CRITERO DE EVALUACIÓN A LA PRESENTE PRÁCTICA (23)

Funcionamiento del circuito.40 %Presentación de la información. 30%Reporte y sustentación del trabajo 30%





13.BIBLIOGRAFIA: (24)

Miguel A. Pérez García. Instrumentación Electrónica. Ed. THOMSON Ramón Pallas Arenis. SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL.

Ed. ALFA OMEGA MARCOMBO. Rangan C.S INSTRUMENTATION DEVICES AND SYSTEMS. Ed.

TATA MAC GRAW HILL. Harry Norton. SENSORES Y ANALIZADORES. Ed GUSTAVO GILI. Doebelin, E. O. MEASUREMENTS SYSTEMS APPLICATIONS AND

DESIGN. 4ª. Edition. New York: Mc. Graw Hill, 1990. BALCELLS, J. y otros: Autómatas Programables. Marcombo. 1997. Tran, Tien Lang. Electronics of Measuring Systems: Practical

Implementation of Analogue and Digital Techniques. New York: Wiley, 1987.

Motorola. SENSORS DEVICE DATA/HANDBOOK National Semiconductors. LINEAR DATA BOOK Web: Direcciones de fabricantes en Internet Norton. “Handbook of transducers”. Ed. Prentice Hall, 1989 (págs. 251-

268).

Cibergrafía:http://www.ohmicinstruments.com/sensors.html (Página web de OHMIC Instruments)


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