Sistemas de Adquisición de Datos Universidad Autónoma de Ciudad Juárez 1

Resumen — En este documento se redacta el procedimiento de

diseño de un sistema de medición de temperatura y humedad. Se

utilizaron los sensores LM35 para medir temperatura, y HCZ-J3

para medir humedad. El sensor de temperatura posee un

comportamiento lineal y una salida en voltaje que es amplificada

y el sensor de humedad es de principio resistivo y comportamiento

no lineal.

Palabras clave— Amplificador operacional, acondicionamiento de

señal, sensor de humedad, divisor de voltaje, sensor de temperatura,

LM35.

I. INTRODUCCIÓN

Actualmente, la implementación de sistemas de medición es

imprescindible, por lo cual es necesario estudiar los sistemas de

medida, conocer sus componentes y como diseñar uno. En este

documento se describirá el diseño de un sistema de monitoreo

de temperatura y humedad relativa en el ambiente.

El objetivo de este trabajo es el diseño de un sistema de

medida de temperatura y humedad, con un rango de 20ºC a

50ºC en temperatura y 20% a 90% de humedad relativa. Se

realiza el análisis correspondiente para implementar las

funciones de los diferentes componentes del sistema,

comenzando por la definición de los parámetros de los sensores

y como lograr los requerimientos especificados a través de la

etapa de acondicionamiento. Adicionalmente se utilizara el

software LabVIEW para adquirir e interpretar la información

proporcionada por el sistema diseñado.

II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

A. Aspectos generales

Un sistema es una combinación de dos o más elementos,

subsistemas y partes necesarias para llevar a cabo una o más

funciones. La función de un sistema de medida es la asignación

empírica de un número a una propiedad o cualidad de un objeto

para describirlo [1]. Los sensores basados en la variación de una

resistencia eléctrica son muy comunes, esto es porque muchas

variaciones físicas afectan la resistencia eléctrica de un

material.

B. Higrómetro Resistivo.

La humedad es la cantidad de vapor de agua presente en un

gas o de agua absorbida en un líquido o un sólido. La masa de

vapor de agua contenida en un volumen dado de gas (g/m3) se

denomina humedad absoluta. 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 un porcentaje.

La mayoría de los aislantes eléctricos presentan un descenso

de resistividad brusco al aumentar su contenido de humedad

(Fig. 1).

Fig. 1. Respuesta típica de un higrómetro resistivo.

La relación entre la humedad relativa y la resistencia es no

lineal, en algunos casos puede aparentar ser exponencial.

C. Sensor HCZ-J3

Las aplicaciones del componente son la medición de

humedad relativa, control y presentación. Su implementación

puede ser dispuesta en diversos productos finales como

sistemas de aire acondicionado, humidificadores, des-

humificadores, higrómetros, etc.

D. Divisor de voltaje.

En un circuito en serie, el voltaje en los elementos resistivos

se dividirá en función de la magnitud de los niveles de

resistencia.

Existe un método denominado regla del divisor de voltaje

(RDV) que permite la determinación de los niveles de voltaje.

𝑅𝑇 = 𝑅1 + 𝑅2

Sistema de monitoreo climático de un

invernadero.

Cesar Enrique Cortez Pando: al103706@alumnos.uacj.mx.

Instituto de Ingeniería y Tecnología, UACJ.

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𝐼 =𝐸

𝑅𝑇

Al aplicar la ley de Ohm:

𝑉1 = 𝐼𝑅1 = (𝐸

𝑅𝑇

) 𝑅1 =𝐸 𝑅1

𝑅𝑇

𝑉2 = 𝐼𝑅2 = (𝐸

𝑅𝑇

) 𝑅2 =𝐸 𝑅2

𝑅𝑇

Observe que el formato para 𝑉1 y 𝑉2 es:

𝑉𝑥 =𝑅𝑥 𝐸

𝑅𝑇

Regla del divisor de voltaje.

Fig. 2. Circuito en serie demostrando la RDV

E. LM35.

La serie LM35 son sensores de temperatura de precisión en

circuito integrado, con una salida de voltaje linealmente

proporcional a la temperatura en grados Centígrados. Por lo

tanto el LM35 tiene una ventaja sobre los sensores lineales de

temperatura calibrados en grados Kelvin, ya que el usuario no

necesita sustraer un gran voltaje constante de la salida para

obtener la escala conveniente en grados Centígrados. El LM35

no requiere de ninguna calibración externa para proporcionar

una precisión típica de ±0.25ºC a temperatura ambiente y

±0.75ºC sobre la escala completa de -55ºC a 150ºC de

temperatura. La baja impedancia de salida, salida lineal, y la

precisa calibración del LM35 hacen el diseño de circuitos de

interfaz especialmente sencillo. El dispositivo es capaz de

operar con una sola fuente de potencia o con fuentes positivas

y negativas. El bajo consumo de 60 μA de potencia produce un

muy bajo calentamiento interno menor a 0.1ºC en aire

estacionado.

III. CARACTERIZACIÓN

A. Sensor HCZ-J3.

El HCZ-J3 es un sensor de humedad relativa ambiental

disponible en dos versiones, una sin armazón y otra con

armazón.

La respuesta del sensor (Fig. 3) es no lineal de apariencia casi

exponencial y está representada en la Tabla 1.

Fig. 3. Respuesta del HCZ-J3.

Tabla 1 (Unidad: KΩ).

B. Amplificador operacional.

La serie LM358 consiste de dos amplificadores

operacionales independientes de alta ganancia, internamente

compensados por frecuencia los cuales fueron diseñados

específicamente para operar con una sola fuente de

alimentación sobre un amplio rango de voltajes.

Las áreas de aplicación incluyen amplificadores de

transductores, bloques de ganancia en corriente directa y todos

los circuitos convencionales de op amps los cuales pueden ser

implementados más fácilmente en sistemas de una sola fuente

de alimentación.

Características:

Compensado internamente de frecuencia para

ganancia unitaria.

Gran ganancia de voltaje DC: 100 dB.

Amplio ancho de banda de ganancia unitaria: 1

MHz.

Amplio rango de alimentación:

o Fuente única: 3V a 32V.

o Fuente doble: ±1.5V a ±16V.

Bajo voltaje de offset a la entrada: 2 mV.

C. LM35.

El LM35 es un sensor de temperatura en circuito integrado

con una salida de voltaje lineal que cuenta con las siguientes

características:

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Calibrado directamente en grados centígrados.

Respuesta lineal con factor de escala de 10𝑚𝑉 °𝐶⁄

Precisión asegurada de 0.5ºC (a 25ºC).

Rango de operación de -55ºC a 150ºC.

Bajo costo.

Consumo de corriente menor a 60μA.

Voltaje de operación de 4V a 30V.

No linealidad típica de ±0.25ºC.

Baja impedancia de salida, 0.1Ω para una carga de 1 mA.

Fig. 4. Configuración típica del LM35.

IV. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL.

A. Sensor HCZ-J3.

La señal para un sensor resistivo, como el HCZ-J3, se puede

acondicionar por medio de:

Acondicionamiento Clásico: que puede ser por medio de un

Divisor de Voltaje, o por medio de un Puente de Wheatstone.

Osciladores.

Interfaz directa con Micro controladores.

V. SISTEMA DE MEDIDA PROPUESTO.

Se diseñó un sistema para medir temperatura de 20oC a 50oC

y del 20% al 90% de humedad relativa tomando en cuenta los

siguientes datos y requerimientos:

Vcc=5V.

ADC=14 bits (DAQ 6009).

δ(LM35)= 10 mV/°C.

A. HCZ-J3.

Primeramente se atiende el comportamiento exponencial del

sensor HCZ-J3, para acercar su comportamiento a algo más

lineal con el propósito de disminuir el error. El comportamiento

de la Fig. 3 es atenuado colocando un resistor en paralelo con

el sensor, el valor de este resistor debe estar fuera del rango de

impedancias del sensor, por lo que se decidió que 𝑅𝑝 = 1100𝛺.

Posteriormente se aprecia que la impedancia del sensor también

es afectada por la temperatura por lo que el sensor genera varias

curvas de respuesta, este fenómeno es contrarrestado

promediando los valores y obteniendo una función que describa

la curva generada por estos valores, como se muestra en la

gráfica 1.

Grafica 1. Respuesta del HCZ-J3 con Rp en paralelo y promedio calculado.

El comportamiento de HCZ-J3 ahora puede ser descrito por

una función dependiente únicamente de la humedad

𝑍 = −0.17𝑅𝐻3 + 15.3𝑅𝐻2 − 486.65𝑅𝐻 + 1051.3

Donde RH es el valor absoluto de la humedad relativa (0.2 -

0.9) y Z la impedancia del sensor.

Para calcular la Resistencia del divisor de voltaje que va en

serie con el sensor HCZ-J3 se optó por una resistencia igual a

la resistencia nominal mínima del sensor:

𝑅 = 𝑅0(50℃/90%𝑅𝐻) = 600Ω

Después se calcularon los voltajes máximo y mínimo de

salida del divisor:

𝑉𝑠𝑀𝐴𝑋=

𝑅𝑥

𝑅 + 𝑅𝑥𝑉𝑐𝑐 =

999.6Ω

600Ω + 999.6Ω5𝑉 = 3.124𝑉

𝑉𝑠𝑀𝐼𝑁=

𝑅𝑥

𝑅 + 𝑅𝑥𝑉𝑐𝑐 =

600Ω

600Ω + 600Ω5𝑉 = 2.5𝑉

Para ajustar el nivel del voltaje se desplazó la salida del

divisor de voltaje por un 𝑉𝑜𝑓𝑓 = 2.5𝑉, entonces:

𝑉𝑠𝑀𝐴𝑋= 624𝑚𝑉

𝑉𝑠𝑀𝐼𝑁= 0𝑉

Por último, para ajustar el rango de voltaje de salida del

divisor de voltaje al rango de voltaje que admite la tarjeta DAQ

6009 (5V), se amplificó el voltaje con un Op-Amp (LM358):

𝐺 =5𝑉 − 0𝑉

0.624𝑉 − 0𝑉= 8.01

Para la obtención de la ganancia deseada se propuso el valor

de 𝑅1 = 100𝐾𝛺, teniendo en cuenta

𝑅2 = 𝑅1𝐺 ∴ 𝑅2 = 801𝐾𝛺

Obteniendo así el circuito final de un Amplificador

Operacional Diferenciador:

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Fig. 5. Circuito para Acondicionamiento de Sensor HCZ-J3 con Divisor de

Voltaje.

5V

Vomax=0.624V

DAQ

6009

Vsmax=3.124V

Resta de

Offset y

amplificación

RHmax=90% Divisor de

Voltaje Hum

RHmin=20%

Vsmin=2.5V

Vomin=0

0V

Una nota importante es el conocer las características no

ideales del LM358, como lo son una salida que no ocupa el

rango completo de 0 a 5V y un error existente en la ganancia

calculada.

B. LM35.

Debido a que la salida del sensor ya es de voltaje lo único

que queda es ajustar el rango de salida de 0V a 5V.

𝑉𝑚𝑖𝑛 = 20℃ (10𝑚𝑉

℃) = 200𝑚𝑉

𝑉𝑚𝑎𝑥 = 50℃ (10𝑚𝑉

℃) = 500𝑚𝑉

Para esto es necesario ajusta un 𝑉𝑜𝑓𝑓 = 0.2𝑉 y ajustar la

ganancia.

𝐺 =5𝑉 − 0𝑉

500𝑚𝑉 − 200𝑚𝑉= 16.67

Por lo que también es preferible utilizar un amplificador

operacional en configuración de amplificador diferencial (Fig.

6).

Para la obtención de la ganancia deseada se propuso el valor

de 𝑅2 = 1𝑀𝛺, teniendo en cuenta

𝑅1 =𝑅2

𝐺 ∴ 𝑅1 = 60𝐾𝛺

Fig. 6. Circuito de acondicionamiento para el sensor LM35.

5V

Vomax=300mV

DAQ

6009

Vsmax=500mV

Resta de

Offset y

amplificación

Tmax=50°C Divisor de

Voltaje Temp

Tmin=20°C

Vsmin=200mV

Vomin=0

0V

C. Interfaz de LabVIEW.

Para el procesamiento y presentación de la información

proveniente del circuito de acondicionamiento de los sensores

se diseñó una interfaz (Fig. 7) que permitiera al usuario

establecer los parámetros de control de temperatura y humedad

que permitirán al programa realizar las acciones de control.

Fig. 7. Código de la interfaz de LabVIEW.

Las operaciones realizadas en los circuitos de

acondicionamiento fueron revertidas en Fig. 8 y Fig. 9 para

lograr obtener temperatura y humedad relativa a partir de los

voltajes adquiridos por la tarjeta de adquisición.

Fig. 8 Obtención de la temperatura del LM35.

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Fig. 9. Obtención de la humedad relativa del HCZ-J3.

La interfaz de Labview (Fig. 10) muestra los controles para

establecer los límites de temperatura y humedad, así como el

estado actual de dichas variables y las acciones de control que

se encuentran en proceso para regresar las variables dentro del

rango establecido. Cuando una de las variables monitoreadas

sale del rango establecido una alerta es desplegada de inmediato

así como la acción de control que esta por ejecutarse, por

ejemplo, supóngase que el rango de temperatura está

programado de 20ºC a 32ºC, si la temperatura llegara a rebasar

los 32ºC el programa desplegaría un mensaje de que la

temperatura rebaso el límite superior y encendería un abanico

para bajar la temperatura por debajo de los 32ºC.

Fig. 10. Interfaz de usuario en LabVIEW.

VI. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y DISCUSIÓN.

Las operaciones de acondicionamiento demostraron tener un

comportamiento previsto por las operaciones de

acondicionamiento arrojando resultados esperados.

El circuito fue implementado sobre una tarjea perforada (Fig.

11) para incrementar su portabilidad, disminuir la probabilidad

de falsos contactos y cortos circuitos, e intentar realizar un

proyecto más portátil. Las resistencias del circuito son de

preciosion de ±1% de error sobre el valor nominal de la

resistencia, el sensor LM35 de temperatura, el sensor HCZ-J3

de humedad y el amplificador operacional LM358.

Fig. 11. Circuito de acondicionamiento implementado.

La planta de prueba fue presentada en 3 recipientes cerrados

que contenían arena seca, arena húmeda y arena mojada, por

separado (Fig. 12). Los sensores fueron introducidos a través de

un agujero en el recipiente y se tomaron lecturas de humedad y

temperatura dentro de cada uno. Fig. 13 y Fig. 14 muestran una

de las mediciones realizadas en la interfaz de LabVIEW y el

sistema invernadero implementado respectivamente.

Fig. 12. Simulación de diferentes condiciones de un invernadero.

Fig. 13. Medición realizada sobre el recipiente con arena húmeda.

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Fig. 14. Hardware completo del sistema.

Con el propósito de estimular al sensor de temperatura y

mostrar que el circuito acondicionador y el procesamiento en

LabVIEW trabajan correctamente se calentó el sensor con una

fuente de calor externa al sistema (Fig. 15) y se tomó una lectura

de temperatura como se muestra en Fig. 16.

Fig. 15. LM35 estimulado por el calor de un cautín.

Fig. 16. Respuesta del LM35 al calor.

El puerto digital fue utilizado como indicador de que

operaciones de control estaban activas, las acciones de control

son el abanico para disminuir la temperatura, calefacción para

aumentar la temperatura y regar para elevar la humedad.

VII. CONCLUSIONES.

Cesar Cortez: El proyecto demostró ser un reto de principio

a fin pero

VIII. REFERENCIAS

[1] Ramón Pallás-Areny and John G. webster, “Sensors and Signal

Conditioning,” Wiley-Interscience.

[2] “Hoja de datos LM35 Series.” http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf [3] Robert L. Boylestad, “Introducción al análisis de circuitos eléctricos”,

Prentice Hall.

[4] “Hoja de datos HCZ-J3” http://www.farnell.com/datasheets/1355480.pdf