Sensores digitales

Sensores digitales

Los codificadores de posición: Son aquellos que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica.

Codificadores incrementales
Un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras radiales ubicadas por lo general muy juntas en toda su circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente a un fotosensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.

Un ejemplo típico de este tipo de codificadores se puede ver dentro de los mouses (ratones) de computadora: pequeños discos con ranuras en cada eje de movimiento. Un circuito lleva la cuenta de los pulsos, con lo que se puede conocer tanto el ángulo que se ha avanzado como la velocidad de giro (midiendo el tiempo entre pulsos). Estos codificadores son baratos pero no ofrecen una posición absoluta (como el potenciómetro), ya que el disco es igual en toda su circunferencia y no hay manera de saber dónde está ubicado (en qué ángulo absoluto) el eje. Habitualmente, se debe proveer al sistema de una manera de ubicarse en una posición cero, y de ahí en adelante contar pulsos hacia adelante o hacia atrás.

Codificadores absolutos
Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria. Deben tener un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos (como el de la figura), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato de posición angular más preciso.

Por razones de precisión óptica, la codificación se suele hacer en una codificación llamada código Gray, que luego se traduce en el código binario estándar que utiliza una computadora para sus cuentas.

Construcción del codificador absoluto
El tipo absoluto produce un código digital único para cada ángulo distinto del eje.
Se corta un patrón complejo en una hoja de metal y se pone en un disco aislador, que está fijado al eje. También se coloca una fila de contactos deslizantes a lo largo del radio del disco. Mientras que el disco rota con el eje, algunos de los contactos tocan el metal, mientras que otros caen en los huecos donde se ha cortado el metal. La hoja de metal está conectada con una fuente de corriente eléctrica, y cada contacto está conectado con un sensor eléctrico separado. Se diseña el patrón de metal de tal forma que cada posición posible del eje cree un código binario único en el cual algunos de los contactos esté conectado con la fuente de corriente (es decir encendido) y otros no (apagados). Este código se puede leer por un dispositivo controlador, tal como un microprocesador, para determinar el ángulo del eje.

Sensores Autorresonantes

El principio de funcionamiento de los sensores autorresonantes se basa en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencimetro—contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación- La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados.En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero.

Es importante observar que si bien la ausencia de convertidor A/D hace innecesaria una tensión de referencia estable para medir la salida de estos sensores, no por ello es posible medir una magnitud absoluta -la frecuencia del oscilador- sin tener otra magnitud de referencia bien conocida, en este caso el oscilador del que se obtiene la base de tiempos del contador con que se mida la frecuencia. Este oscilador de referencia será generalmente de cristal de cuarzo y tendrá derivas con el tiempo y la temperatura. Las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debidos a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo, que decrecen con el tiempo, y que varían después de ciclos térmicos: y a los cambios de masa del cristal por absorción de contaminantes dentro del encapsulado.


Tipos de Sensores Autorresonantes

Sensores Resonadores de Cuarzo
Estos sensores están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras, en la figura 4 se muestra el circuito eléctrico equivalente de un sensor de cuarzo resonante. En ésta, Lm viene determinada por la masa del cristal, Cm por la elasticidad mecánica, Rm por la fricción interna (que se traduce en una disipación de calor) y Co es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico como dieléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.

Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto piazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos recalibraciones.Existen diversos tipos de sensores resonantes clasificándose según la variable física a medir.

Termómetros Digitales de Cuarzo
Microbalanzas de cuarzo
Sensores de gas resonante
Sensores de fuerza y presión basados en resonadores de cuarzo


Caudalimetro de Vórtice

El principio del caudalimetro de vértice esta basado en la medición de la frecuencia de generación de vórtices por un obstáculo insertado en el flujo, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad media, en un campo dado de número de Reynolds.

Aunque existan muchos dispositivos de este tipo, experiencia con este metodo de medida de caudal es limitada y este método solamente se puede utilizar con precaución. Por ejemplo, cualquier vibración de la conducción es capaz de alterar la frecuencia medida y por lo tanto debe ser evitada.

Sistema de acondicionamiento

Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible.

Un circuitos oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.

1. Otros métodos de detección.
a. Basado en uniones semiconductoras. Construcción y circuitos de acondicionamiento.

a. Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento

El ultrasonido se define como ondas de sonido de alta frecuencia que están por encima del rango de percepción humana. El punto más bajo es generalmente 20kHz y el superior ya está en el rango del megahertz. Los seres humanos son capaces de detectar sonidos en el rango de 20Hz a 20kHz. Los instrumentos portátiles que miden la intensidad del ultrasonido transportado en el aire o por medio de una estructura cubren frecuencias desde 20 kHz hasta 100 kHz.

El método generalizado para detectar fugas es sencillo. Un inspector con un instrumento de ultrasonido escanea un área y busca un sonido diferente que se acelera. Con ajustes continuos del control de volumen se sigue el sonido de la fuga hasta que se escucha el punto más alto. En
el rango ultrasónico, el inspector es capaz de discriminar entre ruidos de fondo irrelevantes y la señal de la fuga. Alqunos instrumentos incluyen una sonda focalizadora de hule que estrecha el área de recepción. Estas sondas protegen contra ultrasonidos competitivos y ayudan a localizar la ubicación de fugas pequeñas. La gran ventaja de la detección por ultrasonido es que puede usarse en diferentes ambientes, pues es sensible al sonido y no específica para cada gas. Cuando ocurre una fuga, el fluido (líquido o gas) se mueve desde el lado de alta presión a través del agujero al lado de baja presión de la fuga, donde se expande rápidamente y produce un flujo turbulento. Esta turbulencia tiene fuertes componentes ultrasónicos que son detectados por el instrumento. La intensidad de la señal de ultrasonido cae rápidamente desde la fuente, lo cual permite localizar exactamente el sitio de la fuga.


Para sistemas fuera de servicio, una prueba especializada, denominada una prueba de tono, emplea un transmisor ultrasónico para producir una fuente de sonidos ultrasónicos. La prueba se lleva a cabo colocando un transmisor adentro, o en un lado de la pieza del equipo a inspeccionar. Una señal vibratoria viaja por toda la pieza y penetra cualquier sitio de fuga existente. Un escaneado para penetración sónica usa un instrumento de ultrasonido y localiza la fuga. Esta prueba es especialmente apta para intercambiadores de calor.


b. Basado en fibras ópticas. Construcción y circuito de acondicionamiento.
Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.

Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.



Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.


Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la T.V. de alta definición.



Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada.

Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.
Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Ventajas De La Fibra Óptica
Capacidad de transmisión: La idea de que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras ópticas, ya que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.



 Mayor capacidad debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.
 Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.
 Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido.
 Resistencia a extremos ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones de temperatura.
 La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.



Parámetros De Una Fibra Óptica
Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.



Entre los parámetros estructurales se encuentra:



*El perfil de índice de refracción.
*El diámetro del núcleo.


*La apertura numérica.


*Longitud de onda de corte.





En cuanto a los parámetros de transmisión se tiene:


*Atenuación.


*Ancho de banda.

Sensores Generadores

Sensores Generadores.

El Nº de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que no se puede proceder racionalmente a su estudio sin clasificarlos previamente de acuerdo con algún criterio. Hay diversos criterios adicionales a los que expondremos aquí. Según el aporte de energía, los sensores se pueden dividir en moduladores y generadores. En los sensores moduladores o activos, la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar.La entrada sólo controla la salida.

En los sensores generadores o pasivos, en cambio, la energía de salida es suministrada por la entrada. Los sensores moduladores requieren en general más hilos que los generadores, ya que la energía de alimentación suele suministrarse mediante hilos distintos a los empleados para la señal. Además, esta presencia de energía auxiliar puede crear un peligro de explosiones en algunos ambientes. Por contra, su sensibilidad se puede modificar a través de la señal de alimentación, lo que no permiten los sensores generadores. (Obs: La designación de activos y pasivos se emplea en algunos textos con significados opuesto al que se ha dado, por lo que aquí no hacemos uso de ella para evitar confusiones). Según la señal de salida, los sensores se clasifican en analógicos o digitales. En los analógicos la salida varia, a nivel macroscópico, de forma continua. La información está en la amplitud, si bien se suelen incluir en este grupo los sensores con salida en el dominio temporal. Si es en forma de frecuencia, se denominan, a veces, "casi digitales", por la facilidad con que se puede convertir en una salida digital. En los sensores digitales, la salida varia en forma de saltos o pasos discretos. No requieren conversión A/D y la transmisión de su salida es más fácil. Tienen también mayor fidelidad y mayor fiabilidad, y muchas veces mayor exactitud, pero lamentablemente no hay modelos digitales para muchas de las magnitudes físicas de mayor interés.

Atendiendo al modo de funcionamiento, los sensores pueden ser de deflexión o de comparación. En los sensores que funcionan por deflexión, la magnitud medida produce algún efecto físico, que engendra algún efecto similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que esta relacionado con alguna parte útil. Un dinamómetro para la medida de fuerzas es un sensor de este tipo en el que la fuerza aplicada deforma un muelle hasta que la fuerza de recuperación de éste, proporcional a su longitud, iguala la fuerza aplicada. En los sensores que funcionan por comparación, se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio para restablecerlo. En una balanza manual, por ejemplo, la colocación de una masa en un platillo provoca un desequilibrio, indicado por una aguja sobre una escala. El operario coloca entonces una o varias masas en el otro platillo hasta alcanzar el equilibrio, que se juzga por la posición de la aguja. Las medidas por comparación suelen ser más exactas porque el efecto conocido opuesto se puede calibrar con un patrón o magnitud de referencia de calidad. El detector de desequilibrio sólo mide alrededor de cero y, por lo tanto, puede ser muy sensible y no necesita estar calibrado. Por contra, tienen en principio menor respuesta dinámica y, si bien se pueden automatizar mediante un servomecanismo, no se logra normalmente una respuesta tan rápida como en los de deflexión.

Según el tipo de relación entrada-salida, los sensores pueden ser de orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior. El orden está relacionado con el número de elementos almacenadores de energía independientes que incluye el sensor, y repercute en su exactitud y velocidad de respuesta. Este clasificación es de gran importancia cuando el sensor forma parte de un sistema de control en lazo cerrado. Cualquiera de estas clasificaciones es exhaustiva, y cada una tiene interés particular para diferentes situaciones de medida. Ahora bien, para el estudio de un gran número de sensores se suele acudir a su clasificación de acuerdo con la magnitud medida. Se habla, en consecuencia, de sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, fuerza, par, etc.

Sin embargo, esta clasificación difícilmente puede ser exhaustiva ya que la cantidad de magnitudes que se pueden medir es prácticamente inagotable. Ejemplo en la cantidad de contaminantes químicos en el aire o en el agua, o en la cantidad de proteínas diferentes que hay en el cuerpo humano y que interesa detectar. Desde el punto de vista de la ingeniería electrónica, es más atractiva la clasificación de los sensores de acuerdo con el parámetro variable: resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente, y otros tipos no incluidos en los anteriores grupos.

En esta sección conoceremos un poco más acerca de los sensores GENERADORES:

TERMOPARES. SENSORES TERMOELÉCTRICOS.

Efecto Seebeck (Thomas J. Seebek 1822).
En un circuito de dos metales distintos y homogéneos, A y B, con dos uniones a diferentes temperatura, aparece una corriente eléctrica (Fig 6.1). Es decir hay una conversión de energía térmica a energía eléctrica. Si el circuito está abierto aparece una fuerza termoelectromotriz que depende de los dos metales y de las temperaturas entre las uniones.

Al conjunto de la unión de estos dos metales de le denomina TERMOPAR.

Efecto Peltier (Jean C. A. Peltier 1834).
Consiste en el calentamiento o enfriamiento de la unión de dos metales distintos al pasar una corriente por ellos (Fig 6.2). Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor.

Efecto Thompson (William Thompson 1847).
Consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circula una corriente (Fig 6.3). El calor liberado es proporcional a la corriente y cambia de signo con ella.

Tipos de termopares.
Consideraciones en las uniones de un termopar:

Ø Resistencia elevada para no requerir mucha masa, lo que implica alta capacidad calorífica y
respuesta lenta.
Ø Coeficiente de temperatura débil en la resistividad.
Ø Resistencia a la oxidación a altas temperaturas.
Ø Linealidad de la respuesta.
Ø Estas propiedades se obtienen mediante las aleaciones que muestra la tabla 6.1.

Aplicaciones.

Los termopares J son versátiles y de bajo coste. Se pueden emplear en atmósferas oxidantes y reductoras.

Se aplican a menudo en hornos de combustión abiertos a la atmósfera. Los termopares Kse emplean en atmósferas no reductoras y, en su margen de medida, son mejores que los de tipo E, J y T cuando se trata de medir en atmósferas oxidantes. Los termopares T resisten la corrosión, de modo que se pueden emplear en atmósferas de alta humedad. Los termopares E son los de mayor sensibilidad y resisten la corrosión por debajo de 0ºC y las atmósferas oxidantes. Los termopares N resisten la oxidación y ofrecen mejor estabilidad a altas temperaturas. Los termopares con metales nobles (B, R Y S) tienen muy alta resistencia a la oxidación y a la corrosión.

La tabla 6.2 muestra la salida en mV correspondiente a distintas temperaturas de la unión de untermopar tipo J referenciado a 0ºC.

Normas de aplicación práctica para termopares.
· Ley de circuitos homogéneos
En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque varíe la sección transversal del conductor.

Ley de los metales intermedios
La suma algebraica de las f.t.e.m en un circuito compuesto de un número cualquiera de metales
distintos es cero si todo el circuito está a una temperatura uniforme. Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura. (Fig 6.7)

Ley de las temperaturas intermedias
Si dos metales distintos producen una f.t.e.m. E1 cuando las uniones están a T1 y T2, y una f.t.e.m E2 cuando las uniones están a T2 y T3, la f.t.e.m cuando las uniones estén a T1 y T3 será E1+E2 (Fig 6.9).

Compensación de la unión de referencia.
Ø Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas es necesario mantener una de las
uniones a una temperatura de referencia. (Fig 6.11)

Ø Solución de gran exactitud y fiabilidad, pero de alto coste y difícil mantenimiento.

Ø Una solución que permite usar un hilo más económico se muestra en la Fig 6.12.

Ø Si el margen de variación de la Tª ambiente es menor que la resolución deseada, puede dejarse la unión al aire.

Ø Compensación electrónica de la unión de referencia.
- Consiste en detectar las variaciones de la unión de referencia con otro sensor colocado
en la vecindad de la unión de referencia y se suma una la tensión igual a la generada
en la unión fria. (Fig 6.13) La tensión de alimentación del puente debe ser estable.

Laboratorio #5 - DataSheet del circuito Acondicionador

Medidor de Nivel VPRB - MI07I

El medidor de nivel VPRB - MI07I, es un práctico instrumento que consiste en un amplificador de instrumentación cuya salida esta conectada a un amplificador con configuración de inversor, que permitira ofrecer un voltaje de salida en un rango comprendido entre 0V y 5.1V, cuando en su entrada se presenta un voltaje de 0mV a 15,972mV.

Dicho voltaje de salida será llevado a un Conversor Analógico - Digital construido a base de un Microprocesador, especificamente el PIC16F877A, el cual fue programado en Assembler.

El usuario no tendrá acceso a este microprocesador para evitar cambios y/o daños a la estructura interna del medidor.

Este instrumento es de fácil manejo, con medidas confiables y capacidad de trabajo en condiciones extremas; además posee un peso liviano y un tamaño adecuado.

El medidor de nivel VPRB - MI07I ofrece al usuario un potenciometro de reset por cualquier fallo en el sistema, además de otros dos potenciometros para el Ajuste de cero (A0) y de Ganancia (AG)

Diagrama de BloqueEsquema Circuital

Especificaciones técnicas

Características mecánicas

* Cubierta del medidor: Polietileno con cubrimiento de goma
* Pantalla LCD de medidas 16X2
* Bornes de conexión hechos de cobre con revestimiento de aluminio
* Borne de conexión a tierra
* Peso: 750Gr


Salida Teórica del sistema

Curva de Linealización

Dimensiones del dispositivo

Post - Laboratorio #3

ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES:

Ajuste de Cero y de Ganancia

Introducción:

Todo sensor necesita un circuito acondicionador que regularice y amplifique la señal que este toma del campo, para poderla establecer en rangos de voltajes si se quiere apreciables por el operador, para así realizar un posterior análisis.

El circuito de acondicionamiento que utilizamos para el sensor, es un arreglo básico conformado por un circuito de instrumentación, el cual toma la diferencia del voltaje arrojado por el sensor y la amplifica; además hace una corrección del nivel de la señal de salida; dependiendo del nivel de sensibilidad y de la localización de la posición de referencia “cero” es necesario realizar un ajuste en el valor de la amplificación y en el nivel de la señal . Para la presente práctica se hace uso de los sensores resistivos colocados sobre un puente de Wheatstone el cual es un circuito de acondicionamiento usado con sensores resistivos para generar una tensión proporcional a la variación de resistencia y por tanto a la magnitud física a la que es sensible el transductor. En esta etapa especifica del laboratorio la salida del puente debe ser amplificada para ser operativa y realizándole los ajustes de ganancia y cero necesarios para visualizar correctamente los valores de presión en una pantalla.

OBJETIVOS
•Lograr el ajuste del error de cero.
•Lograr el ajuste del error de ganancia.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Un puente de Wheatstone es un instrumento eléctrico de medida inventado por Samuel Christie en 1833, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en 1843, este circuito es usado como interfaz para los sensores resistivos y se aprovecha para medir el parámetro variado.

En la mayoria de los casos la salida de estos puentes es una señal analógica de un nivel de tensión muy bajo; este hecho hace necesario el uso de un conjunto de circuitos que procesen la señal de salida del sensor para adecuarla al elemento de procesamiento al que se destine. La señal de salida requerida por esos elementos suele ser de un nivel aceptable de voltaje, generalmente por el orden de los 5 a 20V y digital digital, dependiente tan sólo de la magnitud a medir y a ser posible sin offset y relacionada linealmente con esta magnitud. Asimismo, las derivas que con el tiempo se produzcan en la salida deberían ser adecuadamente compensadas mediante una calibración periódica del sistema.

Para poder compensar el sistema es necesario hacer un arreglo de resistencias que permita ajustar los errores de cero y de ganancia del sistema.

El circuito propuesto tuvo que ser modificado para lograr un acondicionamiento adecuado de la señal, la modificación fue la siguiente:

Resusltados de las medidas

Subiendo:

Bajando:

DESCRIPCION DEL CIRCUITO

Una vez generada la señal eléctrica de salida del sensor, ésta es amplificada dado que la salida del mismo es muy baja, es preciso amplificar introduciendo el menor ruido e interferencia posibles, así como bajo offset. Se deben utilizar por tanto técnicas de amplificación de bajo ruido y se sitúa el amplificador lo antes posible para evitar la degradación propia de la transmisión de señales muy débiles, para esto se usa un amplificador de instrumentación creado a partir de amplificadores operacionales el cual esta diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un buen rechazo en modo común, el circuito fue diseñado para obtener una salida de 0v para 0cm y 5v para 67cm.

El circuito (maqueta) consta de 2 tubos cilíndricos conectados a través de una llave por medio de una tubería; cada tubo posee un metro el cual nos proporciona el margen de medida de la variable con una resolución de 1mm y las medidas de máximo y mínimo nivel varían desde 0 – 67 cm.

A) Inicialmente se llena el primer tubo.
B) Se va abriendo poco a poco la llave para dejar pasar una cantidad de agua al otro tubo.
C) Al Ingresar el agua al tubo 2, en donde se encuentra el sensor RS216-6253 que al ser excitado, comienza a censar las variaciones de nivel, arrojando una salida analógica la cual es introducida al circuito de acondicionamiento diseñado, allí la señal se amplifica y se hacen los ajustes de cero y de ganancia registrándose los datos de la medida de presión para cada porcentaje. (0%,25%,50%,75% y 100%)

Errores:

Error de cero

Error de cero= (Valor teorico - valor experimetal)

Subiendo:

Error de cero= (0 - 0,0024) = 0,0024

Bajando:

Error de cero= (0 - 0,0028) = 0,0028

Error de Ganancia

Analisis de Errores
•Se puede decir que el sensor RS216-6253 utilizado para la medición de nivel es altamente confiable para el rango de nivel estudiado, obteniendose un error de cero aproximadamente igual a cero, además al observar la gráfica de no linealidad se puede percibir que los valores esperados y experimentales difieren entre ellos a lo largo del rango de medición y por lo que algún error puede atribuirse a la medición efectuada en el laboratorio, es decir, a los errores sistemáticos y casuales.

• El error de ganancia demuestra una buena aproximación a los valores reales deseados ya que se obtuvo una pendiente muy próxima a la identidad, pendiente deseada.

Conclusiones y Recomendaciones
•Con la realización de ésta practica se pudo comprobar la aplicabilidad de los amplificadores de instrumentación como circuitos de acondicionamiento para sensores resistivos observándose que estos sirven para aumentar la sensibilidad de los circuitos y poder llevar los voltajes de salida de los sensores a niveles mayores que puedan ser manejados mas fácilmente.
•Se recomienda calibrar bien la salida del puente para que la salida del amplificador sea correcta y anexar a la salida un ajuste de cero , de igual modo se recomienda ser cuidadoso al momento de las mediciones para evitar los errores.

Pre Laboratorio #4

El circuito presentado a continuación, es igual presentado anteriormente, con la salvedad de que este tendrá ahora dos potenciometros, los cuales se utilizarán para ajustar el cero, y para el ajuste de la ganancia del opamp.

Una vez obtenida la señal amplificada a la salida del circuito, se procederá a visualizarla en una LCD; para hacer esto posible, se recurrio a la utilización de un microprocesador, más especificamente el PIC16F877A, el cual a través de un programa codificado en el software Mpelab, se elaboro para que conviertiera la señal análogica a la salida del amplificador, en una señal digital visualizada en la LCD anteriomente mencionada; de acuerdo a la entrada del Pic, este deberia arrojar los siguientes datos en la LCD.

Cabe destacar que la salida de voltaje se tuvo que reducir a 5V ya que el microprocesador utilizado no soporte un Voltaje mayor a ese.

El circuito de visualización será el siguiente:

Sensores Capacitivos e inductivos

Los sensores capacitivos funcionan de manera opuesta a los inductivos, a medida que el objetivo se acerca al sensor capacitivo las oscilaciones aumentan hasta llegar a un nivel limite lo que activa el circuito disparador que a su vez cambia el estado del switch.

Principio de funcionamiento:
Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto. Cuando el objeto se encuentra fuera del campo electrostático, el oscilador permanece inactivo, pero cuando el objeto se aproxima, se desarrolla un acoplamiento capacitivo entre éste y la sonda capacitiva. Cuando la capacitancia alcanza un límite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de encendido y apagado.

Oscilador: La amplitud de oscilación varía al acercarse un objeto.

C. Rectificador: La señal alterna recibida del oscilador es convertida por medio del circuito rectificador, de manera que la aproximación del objeto al sensor se traducirá en una variación de una señal de corriente continua.

Potenciómetro: La sensibilidad (distancia de detección) de la mayoría de los sensores capacitivos puede ajustarse por medio de un potenciómetro. De esta forma es posible eliminar la detección de ciertos medios (por ejemplo, es posible determinar el nivel de un liquido a través de la pared de vidrio de su recipiente.)

Circuito disparador: Este circuito (trigger) compara la señal que le proporciona el rectificador con una señal umbral que cambia ligeramente dependiendo del estado de activación, creando así la histéresis del sensor de proximidad.

Aplicaciones
Detección de nivel de aceite, agua, PVC, colorantes, harina, azúcar, leche en polvo, posicionamiento de cintas transportadoras, detección de bobinas de papel, conteo de piezas metálicas y no metálicas, entre otros.
Guardas:
Consiste en rodear uno de los dos electrodos del condensador con un anillo puesto al mismo potencial que dicho electrodo. Si el otro electrodo se mantiene a un potencial conocido, las líneas de campo eléctrico en el centro quedan limitadas a una zona bien definida. El efecto de la separación g entre la guarda y el electrodo, supuesta g<Condensadores parásitos:
Son condensadores virtuales que crean interferencia o error cuando una de las dos superficies (placa) se coloca a tierra, ya que si otro conductor próximo, por ejemplo la de red de distribución, esta a un determinado potencial con respecto a tierra, la placa que no este conectada a tierra alcanzará también un potencial que según su frecuencia puede interferir en el circuito hasta impedir la medida.

Efecto de borde:
Es el efecto que se produce en los bordes de un condensador de placas paralelas, el cual consiste en el desvío de las líneas de campo eléctrico, haciendo que estas no se comporten en forma perpendicular a dicha placa. Su comportamiento en esta area de las placas es “arqueada”, es decir, las líneas de campo eléctrico van de una placa a la otra en forma de arco y no en forma lineal.

Un método para reducir el efecto de bordes sin alterar las relaciones geométricas, consiste en emplear guardas.

Apantallamiento:
Es la acción de recubrir los cables conductores para evitar las interferencias. Este hecho proporciona un error en el sistema, y es la aparición de condensadores parásitos.


Sensores capacitivos diferenciales: se emplean para medir desplazamientos entre 10-13 y 10 mm, con valores de capacidad del orden de 1 a 100pF. Un condensador diferencial consiste en dos condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo que experimenten el mismo cambio pero en sentido contrario.

Mediante un circuito acondicionador adecuado de la señal de salida, se logra que esta sea lineal, y además hay un aumento de la sensibilidad con respecto al caso de un condensador simple.

Se denomina condensador diferencial al formado por tres placas planas paralelas. En general, las placas exteriores suelen ser fijas y la placa central móvil, en respuesta a la variable a detectar. Vemos cómo, a pesar de que C1 y C2 son no lineales, se logra obtener una salida lineal realizando una medida diferencial y con una sensibilidad mayor que en el caso del condensador simple.

Aplicaciones típicas de esta configuración son los micrómetros, acelerómetros e inclinómetros.

Si se disponen las tres placas del condensador diferencial cómo se muestra en la figura derecha y se varía el área entre placas, se tiene que la medida diferencial de la capacidad nos permite obtener una salida lineal con el desplazamiento. Con esta técnica se han llegado a medir desplazamientos de hasta 10-10 mm.

Aunque se ha mejorado en linealidad, el condensador diferencial no esta exento de problemas: dispersión del campo eléctrico en los bordes de los electrodos, aislamiento entre placas, capacidades parásitas, cables de conexión, etc. La dispersión del campo en los bordes de los electrodos puede apreciarse mejor en la figura a. Para evitar este efecto, en la figura b se ha colocado un electrodo de guarda rodeando al electrodo 3. Este electrodo de guarda se mueve junto al electrodo 3 y está puesto a su mismo potencial. Ahora, las líneas de campo aparecen distorsionadas en el borde de la guarda, lo cual no importa ya que no es un electrodo de medida. En cambio el campo si es uniforme en los electrodos de medida. El electrodo de guarda protege simultáneamente al electrodo 3 de campos externos que puedan afectar a la linealidad de la medida.

Aplicaciones de los sensores capacitivos diferenciales:

Estos sensores se utilizan especialmente para medir desplazamientos lineales y angulares.

Este tiene la ventaja de proporcionar mediciones de desplazamiento muy exactas. El circuito necesario para montarlo es similar al puente de wheatstone solo que en lugar de resistencias se usan condensadores. Se debe usar también una capacitancia variable para balancear el circuito.

Este tipo de transductor es útil para medir presión sanguínea, registrar los movimientos de las paredes del pecho, presión plantar, sonidos del corazón y los pulsos radial y braquial. Para lograrlo una de las placas de condensador se mantiene fija, mientras la segunda está unida a un miembro elástico.

Una interesante aplicación de los sensores capacitivos la constituyen los capacitares biológicos. Estos utilizan las propiedades dieléctricas del tejido vivo como una parte del capacitor. Cremen (1907) insertó un corazón latiente de rana entre las dos placas de un condensador y registró el cambio de capacitancia cuando el corazón se llenaba y vaciaba de sangre. Un sistema similar fue desarrollado por Joseph (1944) quien colocó el tórax de sujetos humanos, en registro simultáneo con el ECG mostró que los cambios capacitivos estaban asociados con la actividad cardiaca. Para estudiar el flujo sanguíneo Atzler y Lehman (1932) usaron sujetos humanos colocando un electrodo encima del pecho y el segundo en contacto con la espalda. Fening (1936) desarrolló lo que el llamó oscilocapacitógrafo, utilizando una rata que yacía sobre una placa del capacitor, y la otra placa la colocaba 5mm por encima del tórax del animal. Los movimientos respiratorios cambiaban la capacitancia a través de una variación del área, la separación de las placas y la distribución del dieléctrico, cambios que alteraban la corriente del ánodo del tubo oscilador. Así se obtenía un buen registro de la respiración de las ratas. Para una descripción de estos y otros experimentos refiérase al libro de Wilches o Webster.

En general se puede establecer que los sensores capacitivos tienen un pequeño tamaño, construcción robusta y un pequeño desplazamiento volumétrico. La señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Además son sensibles a variaciones de temperatura.

Ventajas
􀁜 Simplicidad mecánica
􀁜 Error de rozamiento mínimo
􀁜 Tamaño y masa pequeños
􀁜 Alta resolución y sensibilidad
􀁜 Buena reproductibilidad
􀁜 Alta estabilidad con la temperatura
􀁜 Fácil integración en C.I.

Desventajas
􀁜 Resistencias parásitas
􀁜 Alta impedancia de salida
􀁜 Afectados por campos electromagnéticos
􀁜 Necesidad de apantallamiento
􀁜 Utilización de guardas


Aplicaciones de estos sensores:
+Desplazamientos lineales y angulares.
+Detector de proximidad.
+Cualquier magnitud que implique un desplazamiento (presión, fuerza, etc)
+Medida de humedad por variación de e.
+Medida de Tª (de e=k/(T-Tc)).
+Medida de espesores de materiales dieléctricos.
+Medida de nivel de líquidos.
+Presión, fuerza, par y aceleración
+Deformaciones, galgas capacitivas
+Humedad (óxido de aluminio como dieléctrico)
+Análisis químico
+Nivel de líquidos

Acondicionamiento de sensores capacitivos

Sensores de reluctancia variable
Los sensores inductivos basan su funcionamiento en el cambio de la reluctancia total de un circuito magnético cuando se modifican las distancias de los entrehierros. Si tenemos un circuito de N espiras que concatena un flujo y por el que circula una corriente i, la inductancia L se puede expresar como:

sensores de entrehierro variable y los segundos sensores de núcleo móvil.


Sensores Capacitivos: Variando el área:

Consiste en el desplazamiento de las dos placas paralelas del condensador; desplazandolas de un lado hacía al otro, ocasiona un cambio en el área entre una de las placas y el dicho dieléctrico, haciendo que el mismo tengo mayor o menos capacidad para la captación de la señal.

Sensores Capacitivos: Variando la distancia:

Consiste en variar la distancia del dieléctrico que se encuentra centrado entre las dos placas paralelas, de un lado hacía al otro, consiguiendo con esto la variación del área entre placa y dieléctrico con el fin de obtener mayor sensibilidad del sensor.Puente de sensores capacitivos

Sensores Inductivos de Inductancia Mutua.

Este tipo de sensores se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazar el núcleo. La denominación LVDT viene de Linear Variable Differential Transformer.

Aunque este dispositivo cambia la impedancia mutua, la salida es una tensión alterna modulada, no un cambio de impedancia. Tiene como limitaciones que en el centro la inductancia mutua no se anula, por deficiencias en el proceso de construcción. Además existe la presencia de armónicos en la salida.

Sin embargo tiene las siguientes ventajas:

a. Resolución infinita.

b. Poca carga mecánica.

c. Bajo rozamiento: vida ilimitado y alta fiabilidad.

d.Ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario.

e. Aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico

f. Alta repetibilidad.

g. Alta linealidad.
h. Tiene alcances desde 100 micrometro hasta 25 centímetros.

Sensores Electromagnéticos basados en la Ley de Faraday.
Se basa en el principio de que una variación en el flujo magnético sobre una bobina, generauna fuerza electromotriz.

Las condiciones que deben cumplirse para poder usar este tipo de medidor son:
Perfil de velocidades simétrico.
Tubería no metálica ni magnética: teflón o cerámica.
Electrodo de acero o titanio
Tubería llena
Campo magnético continuo o alterno.
Ideal para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión.

El efecto hall se refiere a la generación de un potencial en un conductor por el que circula una corriente y hay un campo magnético perpendicular a esta.

Tiene como limitación.
+La temperatura cambia la resistencia del material.
+Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas,

Tiene como ventajas:
+Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.
+Inmune a las condiciones ambientales.
+Sin contacto.Se puede aplicar a la medida de campos magnéticos, medida de desplazamientos