INSTRUMENTACIÓN MECATRÓNICAINGENIERÍA MECATRÓNICA

PREPARATORIO Nº1“COMPARACIÓN ENTRE DIFERENTES TIPOS DE

ACONDICIONAMIENTO PARA UN SENSOR”

Ing. Johana Tobar

ALEXANDER CORDOVA

Viernes 6 de Noviembre

SANGOLQUI-ECUADOR

TEMA: Acondicionamiento de Señales

OBJETIVOS

GENERAL

Identificar los diferentes tipos de circuitos acondicionadores de señales

MATERIALES

Multímetro. Cables para conexión. Protoboard. Resistencias, capacitores. Fuente de poder. Sensor Temperatura. Amplificadores operacionales.

FUNDAMENTO TEÓRICO

SENSORES

Fig. 1 Varios Sensores

Un sensor no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior, que pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que puede ser una resistencia eléctrica, una capacidad eléctrica, una Tensión eléctrica, una corriente eléctrica, etc. que seamos capaces de cuantificar y manipular. (Eric, Dominick, &James, 2014)

Características:

Exactitud: la exactitud de la medición debe ser tan alta como fuese posible. Se entiende por exactitud que le valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativos en la medición.

Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula.

Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.

Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de

la magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a

medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.

Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.

Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

TIPOS DE SENSORES:

Existen varias clasificaciones de sensores dependiendo del criterio bajo el cual se analicen sin embargo, de acuerdo al parámetro variable se pueden definir bajo la Tabla 1 de forma apropiada para el estudio de acondicionamiento de señales.

Tabla 1: Sensores y métodos de detección más comunes (Pallás Areny)

¿Qué tipos de circuitos de acondicionamiento existen?

Según Pallás, el acondicionamiento de señales se realiza dependiendo del sensor en uso, es decir, existen acondicionamiento de señales para sensores resistivos, de reactancia variable, sensores generadores, etc. Entre los acondicionamientos de señal más comunes tenemos:

Divisores de tensión (potrnciómetros) Puente de Wheatstone Amplificadores de instrumentación

CIRCUITOS PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES

Dada la amplia variedad de sistemas de control para procesos industriales, a menudo es necesario convertir una señal de entrada en un formato aceptado por el sistema.

Los acondicionadores de señal también son útiles para la transferencia precisa de estas señales, aislamiento y la eliminación de lazos de tierra. (Eric, Dominick, & James, 2014)

Existen acondicionadores de señal para:

Sensores resistivos Sensores generadores Sensores de reactancia variable

AMPLIFICADOR NO INVERSOR

Para el diseño del amplificador se utilizará el integrado LM324 conectado como indica su hoja de datos.Para la aplicación actual se necesita un amplificador operacional trabajando como amplificador no inversor, cuyo diagrama es el mostrado.

Fig. 2. Circuito Amplificador no inversor (sadiku, 2006)

Para poder escuchar de mejor manera la señal filtrada de la configuración anterior se ha escogido una ganancia de 10 V/V. para lo cual utilizando las ecuaciones que proporciona la bibliografía se tiene:

V o=Vi∗(1+ RfR1

)

De donde asumiendo una resistencia Rf=100kohm se obtiene entonces:

(V oV i

+1)/Rf= 1R1

De donde:

R1= RfV o

V i+1

R1=100∗103

10+1

R1=9.09kohm≈10kohm

Se escoge el valor de 10kohm por ser un valor comercial.Entonces la relación de amplificación seria la siguiente:

VoVi

=(1+ 100 kohm10kohm

)

VoVi

=11

SIMULACIONES

Fig. 3 Circuito Acondicionamiento Amplificador no Inversor

Fig. 4 Circuito Acondicionamiento Amplificador no Inversor

CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO PARA TEMPERATURA NEGATIVAS

El circuito de acondicionamiento utilizado es el recomendado por el fabricante en la hoja de datos.

Con este circuito podemos medir temperaturas entre los -5°C y 40°C.

Fig. 5 Circuito Acondicionamiento temperaturas negativas

SIMULACIONES

Fig. 6 Circuito Acondicionamiento temperaturas negativas

FILTRO PASA ALTOS

Para nuestro diseño utilizaremos una fuente de alimentación de 5 V por lo que Vs=5 [v].Establecida la señal de entrada procedemos con el cálculo del filtro. Se eligió un filtro pasa altos para eliminar el ruido en su mayoría frecuencias bajas.

Fijamos la frecuencia de corte requerida y el valor del capacitor:fc=145Hz yC=33nF

Calculamos R:

R= 12 x π xC x fc

= 12x π x 33nF x145Hz

=33261ohm .

Se elige el valor comercial más cercano:R=33Kohm.

Frecuencia de corte real:

fc= 12x π x C x R

= 12x π x 33nF x33Kohm

=146.14Hz .

SIMULACIONES

Entrada 5 V 30 Hz

Fig. 7 Circuito Acondicionamiento Filtro

Entrada 5 V 300 Hz

Fig. 8 Circuito Acondicionamiento Filtro

BIBLIOGRAFÍA

Robert L. Boylestand, “Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos” 10° Edición, 2009 Pallás, R. (2005). sensores y acondicionadores de señal. MARCOMBO, S.A. sadiku, a. (2006). Fundamentals of electric circuits. mexico: McGrawHill.

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS

INGENIERIA MECATRONICA

LABORATORIO DE INSTRUMENTACION MECATRONICA

PRACTICA N°1

COMPARACIÓN ENTRE DIFERENTES TIPOS DE ACONDICIONAMIENTO PARA UN SENSOR

INTEGRANTES: VIERNES 9:30-10:30

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TABLA DE DATOS

Amplificador

Valores Calculados Valores Simulados Valores Medidos

10°C 1.1 V 1.14 V25°C 2.75 V 2.79 V

Divisor de Tensión

Valores Calculados Valores Simulados Valores Medidos25°C 0.22 V 0.22 V

Filtro Pasa Altos Fc=145Hz

Valores Calculados Valores Simulados Valores Medidos5 V 30 Hz 0.5 V 0.72 V

5 V 300 Hz 3.20 V 3.18 V