INSTRUMENTACIN y MEDICIONESProyecto Final

ALBERTO CANTILLO ALARCONCd. 72243477

JOSE ARTURO DAZA B. Cd. 79498929

JOSE ANGEL MONTAEZ ROJASCd. 74321176

PRESENTADO A:

DIANA GISELA VICTORIAINSTRUMENTACION Y MEDICIONES

Curso: 201455_7

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA.ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA.INGENIERA ELECTRONICAJUNIO DE 2013

INTRODUCCION

La medicin de capacitancia se puede realizar por diferentes formas a travs de los diferentes capacmetros que se encuentran en el mercado. Se puede realizar con instrumentos a base de puentes de medicin (Schering y/o Wien), o por microprocesadores, o por circuitos integrados o por detector sincrnico. De cualquier modo se busca que la medicin arroje resultados confiables basados en criterios estandarizados y ampliamente entendidos por quienes realizan la medicin.Este proyecto se encara desde un marco terico levemente ms general que el correspondiente al medidor de capacidad a construir de modo que estn sentadas las bases para la construccin de dispositivos similares como detectores y sensores inteligentes y se den los criterios correspondientes para disear una adquisicin remota de las medidas y los datos que ellos producen sin incurrir en errores. El estado de la tecnologa electrnica actual provee a los diseadores una gran diversidad de elementos que posibilitan la implementacin de instrumentacin electrnica que logra alta exactitud. Los microcontroladores fcilmente programables, sumados a los amplificadores operacionales y las temporizaciones exactas dadas por los cristales de cuarzo permiten la implementacin de instrumentos de mano de bajo consumo y tambin dan origen a los llamados sensores inteligentes; en los cuales se necesita hardware mnimo por cuestiones de tamao, consumo y costos. Con estas herramientas se plantea el diseo y la puesta en marcha de un medidor de capacitancia digital, el cual es un instrumento de mano basado mayormente en un microcontrolador y unos pocos componentes accesorios que, gracias a la lgica de control y (considrese una llave selectora) como de una intervencin del usuario al sistema (debe ser el operador quien debiera seleccionar la escala adecuada de medida). Los instrumentos elctricos de medicin tienen una gran importancia, durante mucho tiempo se ha buscado la medida de precisin ya que a travs de ellos podemos tener o conseguir la medida de las corrientes elctricas, cargas, energa y potencial, adems de la resistencia, la capacidad, la capacitancia y la inductancia.

OBJETIVOS

Disear e implementar un sistema de instrumentacin para medir la variable capacitancia, utilizando el puente de Wien o Schering.Creemos que ms all de que el proyecto funcione correctamente o no lo ms importante es la interaccin tanto en el campus virtual como en los laboratorios con los tutores en bsqueda de solucin a las inquietudes y posibles fallas que presente el circuito y diseo. Tener un pleno conocimiento no solo del uso de los instrumentos de medicin del laboratorio y de nuestra profesin. Si no tambin poder ahondar en lo interno de su funcionamiento y diseo. Saber cmo funcionan las cosas algo que de por si debe ser nuestro objetivo general como futuros ingenieros.Sustentar el sistema de instrumentacin para medir la variable de capacitancia de acuerdo con las condiciones establecida para el proyecto. Para medir la variable capacitancia de acuerdo con las condiciones establecidas para el proyecto.

JUSTIFICACIN

La asignatura de Instrumentacin y medicin de la Universidad Nacional Abierta y a Distancia busca dotar a los estudiantes de carreras tcnicas y afines con el campo de la medicin, de competencias y habilidades que le permitan un desenvolvimiento exitoso en ese campo del saber.Por ende, este proyecto final busca que el estudiante aplique de manera prctica los conocimientos adquiridos durante el semestre de esta asignatura y d cuenta de su capacidad de anlisis, basado en su fundamentacin terica y las experiencias compartidas por sus compaeros de grupo colaborativo.En las medidas electrnicas nos encontramos con que hay varias formas de determinar la capacidad de un elemento. Algunos mtodos se basan en un puente de impedancias los llamados puente de Wien y de Schering, los cuales son utilizados preferentemente para determinar el factor de prdidas en capacitores. Su implementacin y puesta a punto es algo complicada y el acercamiento a la medida debe realizarse en forma manual por el operador el proceso se asemeja a una sintonizacin, lo que lo hace un mtodo poco prctico para adquirir una medida en forma automtica. He aqu que el diseo e implementacin de un capacmetro es la oportunidad para aprender a fondo de la instrumentacin y mediciones enfocada a nuestra profesin.

DESCRIPCIN

Marco Teorico.Mientras que los puentes de Maxwell-Wien, Owen y Hay se emplean para medir inductores, los puentes de Wien y Schering se emplean para medir condensadores. El puente de Schering se emplea sobre todo para medir la fuga en condensadores de alta Tensin.

Para medir capacitores en circuitos donde el ngulo de fase es casi de 90, el puente de Schering da las lecturas ms exactas.

En el Diagrama de la figura1. Zx es un condensador en serie con una resistencia (objeto de la medida); Z1 est formada por un condensador variable en paralelo con una resistencia variable, que tienen por fin ajustar el puente (hacer que la tensin del puente sea nula) Z2 es una resistencia, Z3 es un condensador.

Donde se especifica Vs podra estar colocado un galvanmetro o sensor. La idea consiste en variar los componentes de la impedancia Z2 hasta obtener la condicin de equilibrio de este puente (Vs=0 o usando un galvanmetro I=0). No es muy diferente a otros puentes como el de Weatstone por lo que la ecuacin para la condicin de equilibrio y obtencin de la capacitancia desconocida resulta ser fcil de deducir, solo que en este caso se trabaja con impedancias (Medida en ohmios, se refiere a la combinacin entre la resistencia y la reactancia en un circuito elctrico).

El equilibrio ocurre cuando el Voltaje entre los puntos A y B (VAB) es igual al voltaje entre los puntos A y C (VAC) siendo los voltajes VDB y VDC tambin iguales. Entonces:

............. (1). Para que la Tensin Vs=0.

.........(2)

.........................(3)

.........................(4)

Ecuaciones 3 y 4 en................... (5)

Sustituyendo las ltimas 4 ecuaciones en 5. Igualando parte real con parte imaginaria se obtiene:

De la figura 2 se deduce que:

...............................(6)

ANLISIS TERICO

Para un puente de Schering con una entrada AC de 10KHz, R1=1050, C1=200pF, C3=10pF, R2=20, hallar la capacitancia de Cx, la resistencia Rx y el factor de disipacin D entre la maya C1y R1, con lo cual se tiene:

SIMULACION EN PROTEUS

Algunos Mtodos De Medicin ConvencionalesEn las medidas electrnicas nos encontramos con que hay varias formas de determinar la capacidad de un elemento. Algunos mtodos se basan en un puente de impedancias (los llamados puente de Wien y de Schering), los cuales son utilizados preferentemente para determinar el factor de prdidas en capacitores (D). El acercamiento a la medida debe realizarse en forma manual por el operador (el proceso se asemeja a una sintonizacin).Otra tcnica es la del detector sincrnico, el cual utiliza un oscilador de una frecuencia sinodal conocida y muy exacta que se aplica a una resistencia Rs que est en serie con el capacitor a medir Cx. La tensin sobre Rs estar en fase con la corriente que pasa por el capacitor, un detector sincrnico elimina la parte real de la tensin sobre Rs, lo que permite obtener una tensin de salida que, salvo por un factor, es proporcional a la capacidad.

Los multmetros digitales convencionales miden la capacitancia administrando corriente constante al capacitor durante un intervalo fijo de tiempo, midiendo el voltaje resultante y luego calculando la capacitancia. La lectura es lenta, demorando alrededor de un segundo.Como la carga se hace usando la tensin interna, la tensin del capacitor puede ser de solamente alrededor de algunos voltios.

Mtodo De Medicin Por Respuesta Transitoria

Este mtodo se denomina tambin de integracin, ya que el modelo matemtico de un capacitor nos dice que la tensin en sus bornes VC es funcin de la integral de la corriente de carga:

VC(t) = 1/C iC(t) dt

El transitorio ocurre cuando en un circuito R-C serie el capacitor se carga a una tensin constante E. Cuando la llave de la figura se abre, el capacitor C comenzar a cargarse a travs de la resistencia R y el voltaje VC se incrementar en funcin del tiempo transcurrido desde la conmutacin de la llave. Este proceso se denomina transitorio de carga.

Manteniendo a E y R constantes, la tensin VC ser funcin del tiempo en el cual el capacitor se mantuvo en carga, lo cual se expresa en la siguiente frmula:

VC = E [1 e t / ( R C )]

En donde las unidades corresponden a t [Segundo], R[Ohm], C[Faradio] y e se denomina nmero de neper (2,72 aproximadamente), el cual es adimensional. Manteniendo las condiciones anteriores, si nos interesa el valor del tiempo transcurrido para que el capacitor alcance una tensin VC1:

t1 = - RC ln [1 VC1 / E ]

Esto significa que t1 es proporcional a C. Por lo tanto t1, si bien est afectado por un factor constante, nos indica el valor de la capacitancia. En el caso de tener un capacitor previamente cargado en una red R-C serie, podemos producir un transitorio de descarga, el cual tiene un circuito y una ecuacin que le corresponde:

Por lo anteriormente expuesto, podramos en principio obtener el valor de la capacitancia en base a la medicin del tiempo de carga o de descarga de un capacitor en una red R-C serie, para lo cual necesi-tamos un voltaje de referencia dado por un comparador de voltaje que nos indique cuando VC alcanza la tensin de carga VC1 o se descarga hasta una VC2. Si bien de acuerdo a los fundamentos dados, la medicin del tiempo de carga se podra realizar con un solo voltaje de referencia. Esto se dificulta en la prctica por las siguientes razones:

En realidad el voltaje no cae a 0 voltios en la descarga ni alcanza la tensin mxima E en la car-ga: Tenemos que matemticamente la curvas de tensin de VC son asntotas que no adquieren los va-lores extremos, si bien se llega a valores tan cercanos que pueden ser considerados como tales, esto aumenta el intervalo de medicin. Fenmenos como el de absorcin dielctrica (reaparicin de tensin en terminales de un capacitor luego de haberse descargado) y la cada de tensin en la llave de descarga acentan este efecto.

Habr un tiempo transcurrido entre el comienzo de la carga y el cronometraje: Esto causa un pequeo error de medicin que generalmente puede ser ignorado.Corrientes de fuga en las entradas analgicas: Causan errores de medida en valores cercanos a cero voltios.

SOLUCIONES CON TEMPORIZADOR 555

En vista de la necesidad de evitar los valores extremos, debemos tener dos comparadores de tensin que indicarn si se produjo la carga o la descarga. El valor que indica la carga debe ser menor a E (ten-sin de alimentacin de la red R-C) y el valor que indica la descarga debe ser mayor a cero Voltios. Estos requisitos fueron tomados en el diseo del temporizador 555, el cual tiene un comparador de ventana que acepta como valor mnimo VC=1/3E para interpretar que se produjo la descarga y como valor mximo VC=2/3E para asumir que se produjo la carga.

Tomado de http://frvm.utn.edu.ar/carrera/grado/electronica/tecnologia/documentos/Capacimetro.pdf

Frecuencia de oscilacin de esta configuracin: F = 1,44 / [ (RA + 2RB) CX ]

Adems necesitamos que la carga y descarga no sea un acontecimiento nico, sino que se repita peridicamente. El temporizador 555 permite esta posibilidad, llamndose esta configuracin modo astable.

En este modo se acta sobre la red R-C, produciendo un transitorio de carga cuando VC< 2/3E para luego cambiar el circuito (cuando VC = 2/3E) mediante la accin de un transistor que produce un transitorio de descarga hasta que VC = 1/3E, punto en el cual comienza el transitorio de carga nuevamente.

Se debe tener una memoria que permita mantener la topologa de la red (O sea que mantenga la configuracin de las conexiones elctricas que llevan a cabo el transitorio de carga o descarga segn corresponda) hasta que se logre efectivamente la carga o descarga. Para este motivo el 555 incorpora una memoria de 1bit o biestable, el cual memoriza el nivel alto de tensin que se produce en el comparador conectado a Set cuando VC = 2/3E (Comienza transitorio de descarga). Esta memorizacin se mantiene hasta que VC = 1/3E, tensin en la cual se genera un nivel alto a la salida del comparador conectado a Reset, que hace memorizar un nivel bajo al biestable (Se produce nuevamente el transitorio de carga).

Una entrada adicional de Reset permite poner a nivel bajo el biestable con una seal externa, lo cual nos permite inhabilitar el temporizador 555 para que no oscile, lo cual es til si trabajamos con ms de un circuito temporizador, ya que nos permite habilitar solamente el que realice mejor la medicin.

EL PUENTE DE WIEN

El puente de Wien se destina en principio a la medicin de la capacidad de capacitores cuyas prdidas son apreciables y pueden considerarse como resistencia paralelo; por ejemplo el ensayo y medicin de cables de dos conductores (envainados para energa elctrica o coaxiles para RF), y capacitores electrolticos de gran capacidad.

En la figura siguiente se muestra el esquema de un puente de Wien tpico, los resistores R1, R2 y R3 son de precisin y no inductivos, el resistor Rx representa la prdidas del capacitor bajo ensayo. Tomado de http://frvm.utn.edu.ar/carrera/grado/electronica/tecnologia/documentos/Capacimetro.pdf

Conseguir la condicin de equilibrio del puente y obtener los valores de Cx y Rx es bastante engorroso, como puede verse en las ecuaciones anteriores, y puede lograrse variando R3, R1 y adems la frecuencia del generador utilizado para exitarlo. Claro que si lo que se desea medir es el factor de prdidas (D), la operacin se simplifica, ya que el valor de D es: D = w R3 C3

EL PUENTE DE SCHERING Cuando se desea medir capacidad y factor de prdidas de capacitores y otros elementos que tienen capacidad asociada, tales como cables armados para alta tensin, aisladores, transformadores de potencia para uso industrial (Que utilizan aceite como refrigerante, y en los cuales se desea determinar las caractersticas del mismo como dielctrico); todos los elementos que puedan considerarse como capacitores en serie con una resistencia de bajo valor; se prefiere utilizar el puente de Schering, que en estas circunstancias y a diferencia del anterior, es un poco ms fcil de equilibrar. La figura siguiente muestra el esquema bsico de un puente de Schering. Los capacitores C4 y C3 son patrones regulables en dcadas, entanto que R3 y R2 son los elementos de ajuste que permiten equilibrar el puente. Tomado de http://frvm.utn.edu.ar/carrera/grado/electronica/tecnologia/documentos/Capacimetro.pdf

Sin embargo, como el puente de Schering se usa sobre todo para materiales aislantes, no interesa tanto la resistencia Rx, sino el factor de prdidas, que es: D = w C3 R3La operacin ms fcil para obtener el equilibrio se consigue manteniendo constantes los valores de R3 y C4, y regulando R2 y C3. En este caso se consigue la lectura independiente, pues C3 no entra en la frmula de Cx e interviene directamente en la determinacin de D. En cambio R2 entra solamente en el clculo de Cx.

DESCRIPCIN

EL CIRCUITO

El sistema se divide en dos (2) secciones un conjunto principal y otro de visualizacin, El diagrama de bloques muestra como est armado el capacmetro.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL CAPACMETRO

EL conjunto principal consta de una llave selectora S1, dos (2) multivibradores estable, un multivibrador monoestable doble y una compuerta de habilitacin.

Para la escala seleccionada, el astable A genera un tren de pulso de frecuencia fija mientras la capacitancia a medir (Cx) controla la frecuencia del astable B. Las seales de A y B se combinan en la compuerta NAND para producir los pulsos de reloj del contador. La cantidad de pulsos que pasan mientras la seal de B es alta es numricamente igual a la capacitancia de Cx en picofaradios, nanofaradios o microfaradios.

Los astables A y B se obtienen de dos chips 555 y la compuerta NAND de un 4011B. El selector S1 es de tipo DP3T (Dos polos tres posiciones).La posicin del selector determina al mismo tiempo el periodo del astable A (oscilador Maestro) y el tiempo de carga del astable B (oscilador de lectura). Estos tiempos se evalan mediante las siguientes formulas:

TA = 0.693 ( R1 + 2RTA ) C2

TCB = 0.693 ( R4 + R5 + RTB ) Cx

Donde RTA Y RTB son los valores suministrados por el selector a los astables A y B en cada escala. Como puede verse, el valor de TCB es proporcional al valor del condensador Cx que se pretende medir.

Los valores de TA y TCB son claves para garantizar la lectura final de los displays corresponda con el valor real de Cx. La tabla resume los valores tericos de RTA y RTB para cada escala.

El circuito de visualizacin consta de un contador, con decodificador y tres displays de siete (7) segmentos.

Para la escala de 1000 pF, RTA es de 360. Esto implica que R2 debe ajustarse a 360. As mismo, para la escala de 1000 nF RTB = 13,8K puesto que R8 = 10 K R9 debe ajusarse a 3.8 K. Esos puntos de ajustes son tericos.La tabla relaciona tambin el valor nominal de A y el valor mximo de TCB para cada escala (999pF, 999nF 999 uF).

Durante el tiempo TCB, la salida del astable B es alta y los pulsos del astable A pasan al contador. Durante el resto del periodo, esa salida es baja y el contador no recibe pulsos.La cantidad de pulsos contabilizados en el tiempo TCB deben ser siempre, numricamente igual al valor de Cx en cada escala. Por ejemplo, se Cx = 330 pF y el selector est en 1000pF TCB = 3,4 ms. Durante este tiempo deben pasar al contador 330 pulsos. Por tanto, R2 debe ajustarse de modo que TA sea igual 3,4 / 330 = 10.33 us.Cuando en cada escala se mide la mxima capacitancia posible, por ejemplo 999pF en la escala 1000 pF, pasan 999 pulsos hacia el contador y la lectura es mxima.Los pulsos a la salida de la NAND alimentan el circuito de visualizacin, formado por el monoestable 4528B y contador 4553 B, el codificador 4543B y los tres displays.

FASES O ETAPAS DEL PROYECTO

ESQUEMA DE CONEXIN

HERRAMIENTAS PARA IMPLEMENTAR EL PROYECTO

MATERIALES REQUERIDOS

HardwareRESISTENCIAR2 - TRIMER-500 IC4 - CD4528B

R1 - 330R9 - TRIMER-5KIC5 - MC14553B

R3 - 270KCONDENSADORESIC6 - CD4543B

R4 -120 C1,C2 - 0.01 UfDISPLAY ( ANODO COMUN)

R5 - 470C3, C4 - 470 pFDISP1- DISP3: LA6960

R6 - 1MC5 - 0.001 UfOTROS

R7 - 3.9 MC6 - 0.1 Uf1 LLAVE SELECTORA3P4T.S1.

R8, R1 - 10KTRANSISTORES PNP

R10 - 10 MQ1-Q3 - 2N3906

R13, R13 - 6.8 KCIRC. INTEGRADOS

R14 - R20 - 220IC1, IC2 LM 555

R21 - R23 - 1KIC3, CD4011 B

SoftwareEl software de simulacin es Proteus es una compilacin de programas de diseo y simulacin electrnica, desarrollado por Labcenter Electronics que consta de los dos programas principales: Ares e Isis, y los mdulos VSM y Electra.

CALIBRACIN.

Para calibrar el capacmetro, site el selector S1 en la escala de 1000 pF e inserte en el socketDe Cx un condensador cuya capacitancia sea conocida y este dentro de este rango. Por ejemplo, 330pF.A continuacin ajuste el valor del potencimetro R2 hasta que la lectura en los displays coincida con el valor bajo prueba.Ahora site el selector en la escala 1000 nF e inserte en el socket de Cx un condensador cuya capacidad sea conocida y est dentro de ese rango. Por ejemplo, 0.47 uF = 470 nF. Ajuste el potencimetro R9 hasta que el valor de los displays coincida con el valor en nanofaradios del condensador bajo prueba.La escala de 1000 uF no necesita calibracin.

CONCLUSION

La construccin del capacmetro es muy sencilla y su coste muy bajo. Se trata de un pequeo equipo que puede dar grandes servicios y adems rinde cuenta del desarrollo del curso Instrumentacin y mediciones. El montaje descrito es un prototipo sencillo, se puede dar un alto grado de exactitud y precisin, pues se comprob que responde de manera asertiva en la medicin de condensadores electrolticos. El montaje en Proteus asegur a travs de la simulacin el funcionamiento y coadyuv al entendimiento de cada uno de los componentes. El componente terico afianz a los estudiantes en la realizacin del proyecto como tambin ayud a la solucin de los problemas presentados. Fue necesario investigar y descargar libros con informacin referente al tema y consulta foros en internet y videos para descartar la falla presentada Fue necesaria la simulacin antes de poder implementar en fsico el circuito Al final se pudo constatar en la simulacin en Proteus el funcionamiento bsico del microprocesador y la ejecucin de las instrucciones del programa de secuenciasComo Acciones De Mejora; sera importante poder tener un blog de laboratorio de electrnica donde podamos tener acceso a la informacin y guas de laboratorio actualizado y horario. Tambin debemos fortalecer los medos de interaccin y comunicacin en la UNAD, las distancias no deben ser una limitante en nuestro desarrollo acadmico profesional.

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