Mejora de un equipo de espectroscopia dieléctrica...

Universidad Politécnica de Catalunya

Escola Universitària d’Enginyeria Técnica Industrial de Terrassa

Mejora de un equipo de espectroscopia dieléctrica

TSDC Proyecto final de carrera

Realizado por: Radouane Alla

Dirigido por: Jordi Sellares

Mejora de un equipo de espectroscopia dieléctrica TSDC Radouane Alla

Electronica tarde

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Índice

1. Introducción.................................................................................................3

1.1. Motivación del proyecto….……………………………………………...3 1.2. Antecedentes.…………….....……………...........................................3 1.3. Objetivos…………………….…...………………………………….........4 1.4. Descripción general...….………..……………………………..………...5

2. Diseños……………………………….…………………………………….…….7

2.1. Metodología utilizada……….…………………………………..……….7 2.1.1. Amplificadores Operacionales...…..………………..………..7 2.1.2. LM358, UA741, CA3420, LM324…..…………………...….17 2.1.3. Sensores Resistivos de temperatura…..…………………..18 2.1.4. Pt100…...………………………………….............................21

2.2. Primer diseño del circuito de medición de temperatura…………….25

2.2.1. Cálculos..............................................................................25

2.3. Segundo diseño del circuito de medición de temperatura………....28

2.3.1. Simulaciones y pruebas……………………………………..30

2.4. Tercer diseño del circuito de medición de temperatura…………….31

2.4.1. Cálculos, Simulaciones y pruebas………………………….31 2.4.2. Material necesario para el montaje………………………….36 2.4.3. Mecanizado de les cajas……...….......................................36 2.4.3. Calibración del la Pt100……...….....................................39

2.5. Pico-Amperímetro……………………………………………………….40

2.6. Primer diseño del circuito del pico-amper…………………………….40


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2.7. Segundo diseño del circuito del pico-amper……...………………….41

2.7.1. Elaboraciones del circuito…….…………….……………….43 2.7.2. Material necesario para el montaje…………………..…….46 2.7.3. Mecanizado de les cajas....................................................46

3. Resultados……………………………………………….…..………………...48 3.1. Ámbitos de utilización……………………………………………..……….....48 3.2. Validación de diseños…………………………………….………..…............49 3.3. Descripción del funcionamiento…………………………………..................56 3.4. Descripción funcionamiento de programas...………………..……..……….58 3.5. Aplicaciones del proyecto…...………………………………………………..60 4. Comentarios finales……………………………………………….………..61 4.1. Plan de trabajo…………………………………………………..…….……….62 4.2. Presupuesto……………………………………………………..…….……….63 4.3. Puntos alcanzados ……………………………………………….….………..63 4.4. Conclusiones..............................................................................................63 4.5. Mejoras futuras……………………………………………………….………..64 5. Bibliografía……………………………………………………………..…..…..65


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1. Introducción

1.1. Motivación del proyecto En la actualidad, los instrumentos electrónicos de gran precisión, están muy utilizados en casi todos los campos, desde Los más sofisticados equipos médicos como equipos de radiografía a un simple videojuego personal para el entretenimiento como la WII. A eso observamos que cada equipo necesita de un diseño especial, y unos componentes especiales, que necesitan más o menos precisión, según las funciones que desempeñara cada equipo. Y como en cada caso o problema que deseamos solucionar mediante la electrónica necesitamos una diseño u otro, según las necesidades del caso, ya que no todos los productos necesarios se pueden encontrar en el mercado, o si están pero a un precio muy elevado, por lo que nos obliga a realizar un diseño específico, más económico y simple según nuestras necesidades. Con este proyecto, se pretende diseñar dos circuitos específicos, para nuestro sistema que consiste en un equipo para la realización de una espectroscopia dieléctrica TSDC . El equipo consiste en un horno, un sistema de medición de temperatura, adquisición de datos con un equipo informático, y un Pico-Amperímetro.

1.2. Antecedentes Partiendo de experiencias adquiridas en proyectos anteriores, para la realización del actual proyecto, se han utilizado dos proyectos que han sido de gran utilidad para llevar a cabo el nuestro proyecto, y son “Control automático de una célula de medida” y “Diseño y realización de un electrómetro”. El primer proyecto (Control automático de una célula de medida), consistía en utilizar un ordenador para controlar de forma automática un proceso. Este proceso consistía en la elaboración de un horno para la realización de pruebas con polímeros a temperaturas por encima de la temperatura ambiente, un sistema para interactuar con el horno a través de un PC, y la programación software para el control del mismo.


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El segundo proyecto (Diseño y realización de un electrómetro), consistía en la realización de un amperímetro que tiene que ser capaz de medir corrientes introducidas entre los rangos que van des del µA a los pA.

1.3. Objetivos

Hay dos objetivos principales en este proyecto. El primer objetivo es el de conseguir diseñar y implementar un sistema de medición de temperatura los suficientemente preciso, para llevar a cabo esto se deberá implementar tanto un sensor de temperatura con un rango de trabajo adecuado, como un sistema para enviar estos datos que medimos a un sistema de adquisición de datos a través de la tarjeta de adquisición AD-DA que está instalado en un PC obsoleto y reutilizado para este fin. Otro punto que hay que mirar es el de modificar el programa existente para la toma de datos del AD-DA, para poder controlar la temperatura del horno de forma precisa. Otros puntos que se pretende analizar e implementar, es la modificación del diseño del actual horno, para alcanzar variar su temperatura entre la temperatura ambiente y los 200 ºC.

El segundo objetivo es mejorar el diseño e implementar de esta forma, un sistema de medición de corrientes capaz de medir las bajísimas corrientes inducidas por la radioactividad en el aire, las débiles corrientes generadas por efecto fotoeléctrico y otras aplicaciones un tanto sofisticadas. Eso quiere decir que las corrientes a medir rondaran entre los µA y los pA. Al tratarse de valores muy pequeños, se tiene que hacer con precaución tanto el montaje como la realización, ya que cualquier imprecisión se mostrará en el resultado final como oscilaciones, ya que el circuito es muy sensible a cualquier interferencia eléctrica por muy pequeña que sea. Un punto importante que se tendrá en los dos objetivos anteriores es el coste de cada uno de los diseños. Y como nuestros equipos no necesitan de tecnología de última generación para su correcto funcionamiento, por lo tanto podemos utilizar componentes de bajo coste, buscando el máximo rendimiento de estos componentes. Los montajes que se pretende realizar con un coste ajustado, sería de gran utilidad para centros de docencia con bajos recursos económicos.


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Como objetivo global, podemos decir que se trata realizar equipos precisos de medida, donde se intentará poder garantizar el funcionamiento óptimo de estos equipos en los laboratorios.

1.4. Descripción general Tal como se ha comentado en el apartado anterior, el proyecto está dividido en dos partes diferentes, y a continuación vamos a describir más detalladamente en qué consiste cada parte. En la primera parte hablábamos de sistema de medición de temperatura, pero no explicamos todo el proceso y con qué fin se utilizará. El sistema general consistirá en el control automático de una célula de medida consiste en utilizar un ordenador para controlar de forma automática un proceso o plataforma. Esta plataforma o proceso elegido para controlar cosiste en un horno para la realización de pruebas con polímeros a temperaturas por encima de la temperatura ambiente. En este proyecto se llevará a cabo la realización del sistema de medición de temperatura, la modificación o mejora del horno, y la modificación de la programación software para el control de la temperatura del horno. Por lo tanto será un proyecto de mecanización, de diseño de circuitos electrónicos y de programación. El sistema de medición de temperatura, será de un diseño calculado para medir temperaturas de entre 0 y 200 ºC, y remitiera esta información en forma de voltaje entre 0 y 5V respectivamente por el conector DB 25, de forma precisa y lineal, por lo que se intentará trabajar con componentes de precisión. El horno necesita ciertas mejoras de diseño, ya que alcanza unas temperaturas actuales entre temperatura ambiente y 84ºC, y se intentará modificar o retocar el diseño actual para alcanzar los 200ºC. Y por ultimo en esta parte, cambiar el programa o software que analizaba los datos tomados desde la AD-DA que debe estar conectada mediante conector macho DB25 a nuestro conector hembra DB25 del circuito de medición de temperatura. En la segunda parte del proyecto, hablamos de Pico-Amperímetro, que se capaz de realizar medidas de corrientes diminutas debidas a la radioactividad en el aire o corrientes generadas por el efecto fotoeléctrico.


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El circuito debe tener una entrada por un conector coaxial, un selector para medir diferentes intervalos de corriente, y una salida en forma de dos bananas por las que analizamos la tensión de salida. Eso quiere decir que vamos a tener que diseñar un convertidor corriente-tensión de alta impedancia. Y como este equipo tampoco necesita de una gran tecnología o componentes de elevado coste, pues se pretende realizar un montaje de bajo coste.

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2. Diseños 2.1. Metodología utilizada

2.1.1. Amplificadores Operacionales Actualmente los amplificadores operacionales (OA) son unos componentes que tienen mucha utilidad en el mundo de la electrónica y uno de los componentes más utilizados en este campo. Lfunciones que es poden realizar, des de les más complejas hasta las sencillas como sumar, restar, multiplicar, integrar... Su simbología es la siguiente:

En este proyecto ocupan una parte fundamental, ya que son el eje princtodos los diseños en que sutilizado en los diseños, son el LM358, Los dos operacionales la finalidad que tienen es común en todos los operacionales. Es decir, nuestros diseños ibajas, por lo que la medida ha de ser necesitamos un operacional queno deban tener en cuenta. De esta manera, una de las características que tienen ltienden a tener una resistencia de entrada infinitay estos tres modelos las cumplen mejor que los demás. Esto nos beneficiará mucho a la hora de los reen las conversiones que se efectuaránpequeñas en estos operacionales. A continuación se realiza una explicación doperacional, así como los posibles tipos, y aplicaciones. Los OPAMP's son integrados que contdecir, con un solo integrado se puede realizar uel mismo integrado. Un Opamp está formado por cuatro bloques bcascada; amplificador diferencial de entrada, desplazamiento de nivel y etapa de salida.


Metodología utilizada

Amplificadores Operacionales

Actualmente los amplificadores operacionales (OA) son unos componentes que tienen mucha utilidad en el mundo de la electrónica y uno de los componentes más utilizados en este campo. La razón es las múltiples funciones que es poden realizar, des de les más complejas hasta las sencillas como sumar, restar, multiplicar, integrar...

Su simbología es la siguiente:

En este proyecto ocupan una parte fundamental, ya que son el eje princ

s en que se efectúan conversiones. Los modellos diseños, son el LM358, el CA3420 y el UA741.

Los dos operacionales la finalidad que tienen es común en todos los Es decir, nuestros diseños intentan calcular corrientes muy

por lo que la medida ha de ser extremadamente exacto. necesitamos un operacional que nos ofrezca la garantía de que sus pérdidas no deban tener en cuenta.

De esta manera, una de las características que tienen los operacionales es quetienden a tener una resistencia de entrada infinita y por lo tanto pocas pérdidas,

modelos las cumplen mejor que los demás.

Esto nos beneficiará mucho a la hora de los resultados en las medidas, ya que nes que se efectuarán se obtendrán unas pérdidas muy

operacionales.

A continuación se realiza una explicación detallada del funcionamiento del operacional, así como los posibles tipos, y aplicaciones.

Los OPAMP's son integrados que contienen uno o más amplificadores, es decir, con un solo integrado se puede realizar un circuito que dé vueltas sobre

está formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en cascada; amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de nivel y etapa de salida.

Radouane Alla

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Actualmente los amplificadores operacionales (OA) son unos componentes que tienen mucha utilidad en el mundo de la electrónica y uno de los

a razón es las múltiples funciones que es poden realizar, des de les más complejas hasta las más

En este proyecto ocupan una parte fundamental, ya que son el eje principal en modelos que se han

Los dos operacionales la finalidad que tienen es común en todos los ntentan calcular corrientes muy extremadamente exacto. Pues,

nos ofrezca la garantía de que sus pérdidas

os operacionales es que y por lo tanto pocas pérdidas,

sultados en las medidas, ya que se obtendrán unas pérdidas muy

etallada del funcionamiento del

en uno o más amplificadores, es n circuito que dé vueltas sobre

ien diferenciados conectados en cadora, adaptador y


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La etapa diferencial presenta las siguientes características: - Tiene dos entradas (inversora y no inversora), su relación de rechazo en

modo común es muy alta, las señales van directamente acopladas a las entradas y presentan una deriva de tensión de salida muy pequeña.

- El amplificador intermedio proporciona la ganancia de tensión suplementaria.

- El adaptador permite acoplar la etapa intermedia con la etapa de salida que

generalmente es una clase AB. - Los Opamp’s son amplificadores de mucha ganancia, estos son

alimentados a valores simétricos de ± Vcc.

- Las entradas, identificadas por signos positivos y negativos, son denominadas entradas invertidas y no invertidas.

- Si denominamos Vp (positiva) y Vn (negativa) a las tensiones de entrada al Opamp, se puede definir la tensión de entrada en modo diferencial (Vd) y modo común (Vc) como:

Ud = Vp-Vn Vc = (Vp + Vn) / 2

- La tensión de salida se expresa como:

V0 = AdVd + AcVc

- La Ad es la denominada ganancia diferencial y la Ac es la ganancia en

modo común, éste no se indica directamente, sino a través del parámetro de relación de rechazo en modo común o mejor dicho CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) definido como:

CMRR = Ad / Ac o CMRR (dB) = 20 log (Ad / Ac)

Estas son características técnicas de los amplificadores para obtener su reacción teórica ante tensiones aplicadas a las entradas. Teóricamente los Opamp’s han de tener un comportamiento ideal, o tenderse a ello. Este comportamiento debe tener las características siguientes:

1) Resistencia de entrada infinita.

2) Resistencia de salida nula.

3) Ganancia en tensión en modo diferencial.


4) Ganancia en tensión en modo

5) Corrientes de entrada nula

6) Ancho de banda infinito Como ya se ha mencionado anteriormente, con los Opamp’s se pueden realizar muchas configuraciones, peropor los siguientes diseños Comparador:

• Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.

• Seguidor:

• Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.

• Se usa como un impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa)

• Como la tensión en las dos patillas de

• Zin = ∞

Presenta la ventaja de que la impedancia de entrasalida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la


n en modo común 0 CMRR = ∞.

ada nulas (Ip= In=0).

infinito.

Como ya se ha mencionado anteriormente, con los Opamp’s se pueden realizar configuraciones, pero siempre se parte de una base, que

por los siguientes diseños:

Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la

Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa).

Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: V

Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la

tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la

Radouane Alla

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.

Como ya se ha mencionado anteriormente, con los Opamp’s se pueden realizar siempre se parte de una base, que está formada

Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la

o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con

Vout = Vin

da es elevadísima, la de prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la

tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a un circuito muy recomendado para realizar medidas

de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la


entrada del voltímetro dependerá de la relación entrvoltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones. Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es amplificador), la resistencia de la línea de cableado es interna del sensor es Rvoltímetro (Ve) y la tensión generada por el sensor (a este divisor de tensión:

o

Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y sen el sensor y el cableado. Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el calentamiento del sensor y del resto del circuito por puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la magnitud medida. Inversor:

Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) pero con la fase invertida 180 grados.

• El análisis de este circuito es el siguiente: o V+ = V- = 0 o Definiendo corrientes:

o Y de aquí se despeja


entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y

Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es Re

amplificador), la resistencia de la línea de cableado es Rl y la reRg, entonces la relación entre la tensión medida por el

) y la tensión generada por el sensor (Vg) será la correspondiente :

Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y se podrá despreciar la caída de tensión

cableado.

Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será l sensor y del resto del circuito por efecto Joule

puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la

or ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) pero con la fase invertida 180 grados.

El análisis de este circuito es el siguiente:

Definiendo corrientes:

de aquí se despeja:

!"#

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e la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y

e (entrada del y la resistencia

entonces la relación entre la tensión medida por el ) será la correspondiente

Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la

caída de tensión

Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será efecto Joule, lo cual

puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la

or ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada


• Para el resto de circuitos el análisis es similar.

• Zin = Rin Por lo cual podemos controlar la impedancia de entrada mediante la elección de Rin. Esta configuración es una de laconfiguración, se puede elaborar otras configudel derivador, integrador, sumador. En sistemas utilizar como buffer, poniendo 2 en cascada. No inversor:

Como observamos, el voltaje de entrada, ingresaconocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo, voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.

• "# $1• Zin = ∞, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inv

Sumador inversor:

• La salida está invertida

• Para resistencias independientes R


Para el resto de circuitos el análisis es similar.

Por lo cual podemos controlar la impedancia de entrada mediante la elección

Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a esta configuración, se puede elaborar otras configuraciones, como la configuración del derivador, integrador, sumador. En sistemas micro-electrónicosutilizar como buffer, poniendo 2 en cascada.

Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo,

tivo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor

$1 & '(

, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inv

La salida está invertida

Para resistencias independientes R1, R2,... Rn

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Por lo cual podemos controlar la impedancia de entrada mediante la elección

s más importantes, porque gracias a esta raciones, como la configuración

electrónicos se puede

por el pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo, conociendo el

tivo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor

, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.


o !

• La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor

• Impedancias de entrada: Z

Restador:

• Para resistencias independientes R

o

• Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales

• La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2

• Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una entrada baja en comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador de instrumentación

Integrador ideal:

• Integra e invierte la señal (Vtiempo)

o )


!*+ $ & '

' & ⋯ & (

La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo

Impedancias de entrada: Zn = Rn

Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:

$-./0.-'0( ! $/

(

Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias

La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2

Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una baja en comparación con otro tipo de restadores como por

amplificador de instrumentación.

Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del

) !

1 2 ! "#"3"45

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La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo

Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias

La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2

Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de baja en comparación con otro tipo de restadores como por

son funciones dependientes del


o Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos

Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulasaturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de Derivador ideal:

o Deriva e invierte la señal respecto al tiempo

o V789 !

o Este circuito también se usa como filtro

Nota: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido. Conversor de corriente a voltaje

El conversor de corriente a voltaje, se conoce también como trans-impedancia, llegada a este una corriente (Iproporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que diseñado para trabajar con una fuente de corriente.Con el resistor R como factor de procorriente de entrada y el voltaje de salida es:

o !


es la tensión de salida en el origen de tiempos

El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hasta saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una

e de estado en el voltaje de su capacitor.

Deriva e invierte la señal respecto al tiempo

!RC <=>?<9

Este circuito también se usa como filtro

Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.

de corriente a voltaje:

El conversor de corriente a voltaje, se conoce también como Ampl

llegada a este una corriente (Iin), la transforma en un voltaje proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que diseñado para trabajar con una fuente de corriente. Con el resistor R como factor de proporcionalidad, la relación resultante entre la corriente de entrada y el voltaje de salida es:

!* I"#

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es la tensión de salida en el origen de tiempos.

El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier da en el capacitor hasta

saturarlo por completo. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una

Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina

Amplificador de ), la transforma en un voltaje

proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que está

porcionalidad, la relación resultante entre la


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Función exponencial y logarítmica: El logaritmo y su función inversa, la función exponencial, son ejemplos también de configuraciones no lineales, las cuales aprovechan el funcionamiento exponencial del diodo, logrando una señal de salida proporcional al logaritmo o a la función exponencial a la señal de entrada.

La señal de entrada, desarrollara una corriente proporcional al logaritmo de su valor en el diodo en aproximación. Ello en conjunto con la resistencia de salida R, la dependencia de la tensión de salida (Vout) como producto de la tensión de entrada (Vin) es:

o !A ln $#(

Los factores n y m, son factores de corrección, que se determinan por la temperatura y de los parámetros de la ecuación del diodo. Para lograr la potenciación, simplemente se necesita cambiar la posición del diodo y de la resistencia, para dar lugar a una nueva ecuación, esta ecuación también acompañada por los factores de corrección n y m, muestra la siguiente dependencia de la tensión de salida con relación a la de entrada:

o !n * DEF

En la práctica la realización de estas funciones en un circuito son más complicadas de construir, y en vez de usarse un diodo se usa transistores bipolares, para minimizar cualquier efecto no deseado, como es mayormente la temperatura donde se trabaja. No obstante queda claro que el principio de funcionamiento de la configuración queda inalterado.


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En la realización de estos circuitos también podrían hacerse conexiones múltiples, por ejemplo en el amplificador anti logarítmico las multiplicaciones son adiciones, mientras que en el logarítmico, las adiciones son multiplicaciones. A partir ello, por ejemplo, se podrían realizar la combinación de dos amplificadores logarítmicos, seguidos de un sumador, y a la salida, un anti-logarítmico, con lo cual se habría logrado un multiplicador analógico, en el cual la salida es el producto de las dos tensiones de entrada. Amplificador de instrumentación: Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114). La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales como equipos médicos, para minimizar el error de medida.

Estructura

En la siguiente figura se muestra la estructura de un amplificador de instrumentación:

Al existir realimentación negativa se puede considerar un cortocircuito virtual entre las entradas inversora y no inversora (símbolos - y + respectivamente) de los dos operacionales. Por ello se tendrán las tensiones en dichos terminales y por lo tanto en los extremos de la resistencia Rg


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Así que por ella circulará una corriente:

G − H 1*I

Y debido a la alta impedancia de entrada del A.O., esa corriente será la misma que atraviesa las resistencias R1, Por lo tanto la tensión que cae en toda la rama formada por Rg,R1yR1, será:

"#JKL"4 = 1 − 2*N

O*N + 2*1P = .1 − 20 H1 + 2*1*N

I

Que será la DIFERENCIA de tensión entre la salida inmediata de los dos amplificadores operacionales (justo antes de las R2). Puesto que el resto del circuito es un restador de ganancia la unidad (R2=R3) su salida será exactamente la diferencia de tensión de su entrada (sin añadir ganancia), la cual se acaba de definir.

= .1 − 20 H1 + 2*1*N

I

En caso de que las resistencias no sean iguales, la ganancia total del amplificador de instrumentación será:

= .1 − 20 H1 + 2*1*N

I *3*2

En circuitos integrados suele encapsularse todo excepto la resistencia Rg para poder controlar la ganancia. También puede sustituirse la conexión a tierra por otra a una tensión dada.


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2.1.2. LM358, UA741, CA3420, LM324 El famoso circuito integrado UA741 es un amplificador operacional alojado en una cápsula de tipo DIP8, de 8 pines. El LM358 contiene dos amplificadores operacionales en el interior de una cápsula DIP8. Respecto al CA3420, es muy parecido al UA741, que también está alojado en una capsula de tipo DIP8 de 8 pines. Por último analizamos el circuito integrado LM324, en el caso que debemos utilizarlo para realizar un amplificado de instrumentación, ya que dispone de 4 amplificadores y está alojado en una capsula tipo DIP14 con 14 pines. LM 358

1 = Salida 2 = Entrada inversora (-) 3 = Entrada no inversora (+) 4 = Masa o alimentación negativa 5 = Entrada no inversora (+) 6 = Entrada inversora (-) 7 = Salida. 8 = Alimentación positiva

UA741

2 = Entrada inversora (-) 3 = Entrada no inversora (+) 4 = Masa o alimentación negativa 7 = Alimentación positiva 6 = Salida.

CA3420

1 = 5 = Offset null 2 = Entrada inversora (-) 3 = Entrada no inversora (+) 4 = Masa o alimentación negativa 6 = Salida. 7 = Alimentación positiva


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LM324

1 = 7 = 8 = 14 = Salidas 2 = 6 = 9 = 13 = Entradas inversoras (-) 3 = 5 = 10 = 12 = Entradas no inversoras (+) 4 = Alimentación positiva 11 = Masa o alimentación negativa

2.1.3. Sensores Resistivos de temperatura Los detectores de temperatura resistivos (RTD – Resistance Temperature Detector) son sensores de temperatura basados en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Su símbolo es el siguiente:

En el que se indica una variación lineal con coeficiente de temperatura positivo Al calentarse un metal habrá una mayor agitación térmica, dispersándose más los electrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitación, y mayor resistencia. El fundamento de la RTD es la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. En un conductor el número de electrones disponibles para la conducción no cambia apreciablemente con la temperatura. Pero si la temperatura aumenta, las vibraciones de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio son mayores, y así dispersan más eficazmente a los electrones, reduciendo su velocidad media. Esto implica un coeficiente de temperatura positivo, es decir, un aumento de la resistencia con la temperatura. Esta dependencia se puede expresar de la forma siguiente: RS = RT.U + V ∆S + X ∆SY + Z ∆S[ + ⋯ 0 Ecuación 1.


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Donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia T0 (∆S = S − ST), y α, β, δ… son los coeficientes de temperatura del metal de orden 1, 2, 3… Para el platino, cobre y níquel, en su margen lineal, la ecuación 1 se reduce a la expresión: RS = RT.U + V ∆S0 Ecuación 2.

Materiales: - El platino es el metal que ofrece un margen lineal más amplio con una

sensibilidad aceptable y una elevada precisión y exactitud. La sonda más común es la Pt100 (100 Ω a ºC).

- El níquel presenta una baja linealidad, pero ofrece un coeficiente de

temperatura elevado, lo que implica una sensibilidad más alta. Por otro lado es mucho más económico que el platino.

- El cobre es el metal que presenta unas características menos relevantes

pero también es el más económico de los transductores de temperatura resistivos empleados.

La siguiente tabla y el grafico muestran diferentes características de los transductores mencionados:

Coeficiente

α Alcance (ºC)

Exactitud R100/R0 Precio R0 Min Max

Pt 0,00385 -200 +800 0,01 ºC 1,385 Alto 100 Ni 0,00672 -150 +300 0,5 ºC 1,672 Medio 120 Cu 0,00425 -200 +120 0,1 ºC 1,425 Bajo 10

Tabla 1.


Gráfica 1 : Curvas típicas de variación de la resistencia con la níquel. Donde Rt = resistencia a la temperatura t y R

Ventajas de los Sensores RTD

• Margen de temperatura bastante amplio.

• Proporciona las medidas de temperatura con mayor exarepetitividad.

• El valor de resistencia del sensor RTD puede ser ajustado con gran exactitud por el fabricante (trimming), de manera que su tolerancia sea mínima. Además, éste será bastante estable con el tiempo.

• Los sensores RTD son los más estables con el tiempo, presderivas en la medida del orden de 0.1 °C/año.

• La relación entre la temperatura y la resistencia es la más lineal.

• Los sensores RTD tienen una sensibilidad mayor que los termopares. La tensión debida a cambios de temperatura puede ser unas diez vemayor.

• La existencia de curvas de calibración estándar para los distintos tipos de sensores RTD (según el material conductor, posibilidad de intercambiar sensores entre distintos fabricantes.

• A diferencia de los termopares, no sointerconexión especiales ni compensación de la unión de referencia.


: Curvas típicas de variación de la resistencia con la temperatura del platino, cobre y = resistencia a la temperatura t y Ro = resistencia a 0 °C

Ventajas de los Sensores RTD

Margen de temperatura bastante amplio.

Proporciona las medidas de temperatura con mayor exa

El valor de resistencia del sensor RTD puede ser ajustado con gran exactitud por el fabricante (trimming), de manera que su tolerancia sea mínima. Además, éste será bastante estable con el tiempo.

Los sensores RTD son los más estables con el tiempo, presderivas en la medida del orden de 0.1 °C/año.

La relación entre la temperatura y la resistencia es la más lineal.

Los sensores RTD tienen una sensibilidad mayor que los termopares. La tensión debida a cambios de temperatura puede ser unas diez ve

La existencia de curvas de calibración estándar para los distintos tipos de sensores RTD (según el material conductor, R0 y posibilidad de intercambiar sensores entre distintos fabricantes.

A diferencia de los termopares, no son necesarios cables de interconexión especiales ni compensación de la unión de referencia.

Radouane Alla

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temperatura del platino, cobre y

= resistencia a 0 °C

Proporciona las medidas de temperatura con mayor exactitud y

El valor de resistencia del sensor RTD puede ser ajustado con gran exactitud por el fabricante (trimming), de manera que su tolerancia sea mínima. Además, éste será bastante estable con el tiempo.

Los sensores RTD son los más estables con el tiempo, presentando

La relación entre la temperatura y la resistencia es la más lineal.

Los sensores RTD tienen una sensibilidad mayor que los termopares. La tensión debida a cambios de temperatura puede ser unas diez veces

La existencia de curvas de calibración estándar para los distintos tipos y α), facilita la

posibilidad de intercambiar sensores entre distintos fabricantes.

n necesarios cables de interconexión especiales ni compensación de la unión de referencia.


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Inconvenientes de los Termistores

• Dado que el platino y el resto de materiales conductores tienen todos una resistividad muy baja, para conseguir un valor significativo de resistencia será necesario devanar un hilo de conductor bastante largo, por lo que, sumando el elevado coste de por sí de estos materiales, el coste de un sensor RTD será mayor que el de un termopar o un termistor.

• El tamaño y la masa de un sensor RTD será también mayor que el de un termopar o un termistor, limitando además su velocidad de reacción.

• Los sensores RTD se ven afectados por el auto-calentamiento.

• Los sensores RTD no son tan durables como los termopares ante

vibraciones, golpes…

• No tener en cuenta la resistencia de los hilos de interconexión puede suponer un grave error de medida.

2.1.4. PT100

Tal como mencionamos en el apartado anterior un Pt100 es un sensor de temperatura. Consiste en un alambre de platino que a 0 °C tiene 100Ω y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. El incremento de la resistencia no es lineal en general, pero es casi lineal en ciertos tramos además de creciente y característico del platino de tal forma que mediante tablas es posible

encontrar la temperatura exacta a la que corresponde. Normalmente las Pt100 industriales se consiguen encapsuladas en la misma forma que las termocuplas, es decir dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material (vaina), en un extremo está el elemento sensible (alambre de platino) y en el otro está el terminal eléctrico de los cables protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). Ventajas Por otra parte los Pt100 siendo levemente más costosos y mecánicamente no tan rígidos como las termocuplas, las superan especialmente en aplicaciones de bajas temperaturas. (-100 a 200 °).


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Los Pt100 pueden fácilmente entregar precisiones de una décima de grado con la ventaja que la Pt100 no se descompone gradualmente entregando lecturas erróneas, si no que normalmente se abre, con lo cual el dispositivo medidor detecta inmediatamente la falla del sensor y da aviso. Este comportamiento es una gran ventaja en usos como el de nuestro diseño donde la precisión de la temperatura debe ser muy grande. Además la Pt100 puede ser colocada a cierta distancia del medidor sin mayor problema (hasta unos 30 metros) utilizando cable de cobre convencional para hacer la extensión. Conexiones Existen 3 modos de conexión para las Pt100, cada uno de ellos requiere un instrumento lector distinto. El objetivo es determinar exactamente la resistencia eléctrica R (t) del elemento sensor de platino sin que influya en la lectura la resistencia de los cables Rc. A continuación, vamos a realizar una descripción breve de los 3 tipos de conexión de la Pt100:

- Conexión de 2 hilos: • El modo más sencillo de conexión (pero menos recomendado) es

con solo dos cables. • En este caso las resistencias de los cables Rc1 y Rc2 que unen la

Pt100 al instrumento se suman generando un error inevitable. • El lector medirá el total R(t)+Rc1+Rc2 en vez de R(t). • Lo único que se puede hacer es usar cable lo más grueso posible

para disminuir la resistencia de Rc1 y Rc2 y así disminuir el error en la lectura.

Por ejemplo si la temperatura es 90°C, entonces R PT100 = 134.7Ω, pero si el cable Rc1 tiene 1.3Ω y el Rc2 tiene 1.2Ω entonces la resistencia medida será 134.7+1.3+1.2 = 137.2Ω y la lectura del instrumento será 96 °C.


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Un cable común razonablemente grueso sería uno de diámetro equivalente a 18 AWG. La resistencia de este cable es 0.0193Ω por metro.

Por ejemplo si se usa este cable para medir una resistencia a 15 metros de distancia, la resistencia total de los cables será 15 x 2 x 0.0193 = 0.579Ω lo que inducirá un error de 1.5°C en la lectura.

- Conexión de 3 hilos: El modo de conexión de 3 hilos es el más común y resuelve bastante bien el problema de error generado por los cables.

El único requisito es que los tres cables tengan la misma resistencia eléctrica pues el sistema de medición se basa (casi siempre) en el "puente de Wheatstone". Por supuesto el lector de temperatura debe ser para este tipo de conexión.

En el caso particular de los instrumentos ARIAN, se hace pasar una corriente conocida a través de los cables azul y verde con lo cual el instrumento mide 2Rc. Luego mide la resistencia por los cables café y azul para finalmente restarle 2Rc al valor medido y obtener R (t).

- Conexión de 4 hilos:

El método de 4 hilos es el más preciso de todos, los 4 cables pueden ser distintos (distinta resistencia) pero el instrumento lector es más costoso.


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Por los cables 1 y 4 se hace circular una corriente I conocida a través de R (t) provocando una diferencia de potencial V en los extremos de R (t). Los cables 2 y 4 están conectados a la entrada de un voltímetro de alta impedancia luego por estos cables no circula corriente y por lo tanto la caída de potencial en los cables Rc2 y Rc3 será cero (dV=IcRc=0 · Rc=0) y el voltímetro medirá exactamente el voltaje V en los extremos del elemento R (t). Finalmente el instrumento obtiene R (t) al dividir V medido entre la corriente I conocida.

A continuación la tabla de valores de la variación de la resistencia con la temperatura:

Tabla 2.


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PT100RTD

2.2. Primer diseño del circuito de medición de temp eratura Nuestro sistema de medición de temperatura, consiste en dos divisores de tensión en paralelo, uno de los cuales contiene el transductor de temperatura, tal como se muestra en la siguiente figura:

Figura 1. Vd

El circuito diseñado en la figura 1, consiste en el puente de Wheatstone , donde el transductor de temperatura utilizado, y simbolizado por consiste en el transductor de platino mencionado antes y conocido por Pt100, y 3 resistencias de precisión. Y para alimentar el circuito se ha utilizado una fuente de tensión de 6 V CC. Para medición de la temperatura, se ha utilizado el Pt100 de 3 hilos, tal como se muestra en la imagen:

PT100: se ha escogido este RTD de platino, debido a sus propiedades consistentes en su amplio margen linealidad y su gran sensibilidad, como ya venimos explicando antes en el apartado 2.1.1.4. Imagen 1 : Sonda PT100 con aislamiento

2.2.1. Cálculos realizados En primer lugar vamos a analizar lo que tenemos y lo que nos hace falta, y luego realizamos los cálculos correspondientes.


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Tenemos:

- Transformador que nos suministra una tensión continúa Vin = 6V. - La Pt100 que tiene una resistencia de 100Ω a 0ºC. - El diseño básico consiste en un puente de Wheatstone.

Necesidades:

- Tener una tensión de salida entre 0 y 5V. - El rango de temperatura con la variación de tensión en la salida debe de

ser aproximadamente 0,025V/ºC. Entonces vamos a realizar los cálculos: En primer punto para tener una tensión en la salida Vd = 0V, las resistencias que se encuentran en paralelo deben ser iguales: R1 = R3 y R2 = R4

Como R4 = RPt100 = 100Ω R2 = 100Ω Ahora vamos a analizar el siguiente caso, en el que la tensión de salida Vd = 5V, y la temperatura es de 200ºC, entonces tendremos los siguientes cálculos: RPt100 = 175,86Ω R2 = 100Ω Vd = VPt100 – VR2 = 5V

V\9 = R\9 R\9 + R] V _

V = RR + R V _

Sabiendo que R1 = R3

V` = `'`'` V^_ =

`'`'`/ V^_

Entonces:

5V = VPt100 – VR2 = `abcc`abcc`/ V^_ − `'

`'`/ V^_ = de.gh

de.gh`/ 6 − `/ 6


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jk = = 175.86

175.86 + R] − 100100 + R]

jk = = 75.86 R]R] + 275.86 R] + 175.86 5 R] + 924.14 R] + 879.3 = 0 R3 = - 183,87Ω no existe una Resistencia negativa. Valor desestimado. R3 = - 0.96Ω no existe una Resistencia negativa. Valor desestimado.

Los resultados a los que hemos llegado no son aceptables por lo que hay que hacer alguna modificación en el diseño del circuito. Vamos a reducir la tensión de salida a Vd = 0.5V, es decir que el rango de temperatura con la variación de tensión en la salida va a ser aproximadamente 0,0025V/ºC Vamos a volver a realizar los cálculos correspondientes: RPt100 = 175,86Ω R2 = 100Ω Vd = VPt100 – VR2 = 0,5V

V\9 = R\9 R\9 + R] V _

V = RR + R V _

Sabiendo que R1 = R3

V` = `'`'` V^_ =

`'`'`/ V^_

Entonces:

0,5V = VPt100 – VR2 = `abcc`abcc`/ V^_ − `'

`'`/ V^_ = de.gh

de.gh`/ 6 − `/ 6

T. jk = = 175.86

175.86 + R] − 100100 + R]


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T. jk = = 75.86 R]R] + 275.86 R] + 175.86

0.5 R] − 317.23R] + 87.93 = 0 R3 = 634,2Ω este valor de resistencia es correcto. Por lo tanto, el puente de Wheatstone, estará formado por el siguiente equipo: R1 = R3 = 634Ω R2 = 100Ω Pt100 Transformador de 6V Quedando el circuito de la siguiente forma: Vd Figura 2. 2.3. Segundo diseño del circuito de medición de tem peratura Mediante el circuito de la figura 2 del apartado anterior, vamos a realizar un estudio de valores para diferentes temperaturas, basándonos en la tabla de valores de la variación de la resistencia de la PT100 con temperatura adjuntada por el fabricante. Utilizando la siguiente fórmula para obtener la tensión de salida Vd:

L = "# H RPt100RPt100 + R3 − R2R2 + R1 I

Vi6 V

R1634Ω

R2100Ω

R6634Ω

PT100RTD


Obtenemos los valores de la siguiente tabla: Temperatura ºC PT 100 Ω

0 100 50 119.40

100 138.51150 157.33200 175.86

Tal como se muestra en la tabla 3temperatura es muy pequeño, solo varia 49ºC a 200 ºC. Con el AD-DA que disponemos, este diferencial de tensión es muy pequeño, por lo que nos vemos obligados redi Para el nuevo diseño, hemos pensado en amplificar la señal de salida de la RTD, y después hacer el diferencial de tAD-DA. Para solucionar el problema hemos pensado en un amplificador operacional LM358, utilizándolo como restador tal como se muestra en la siguiente figura

Figura 3.

Donde las resistencias calculadas para una tener en la salida la tensión deseada de 5V, es decir ampliar el diferencial de tensión de entrada 10 veces, obteniendo del amplificador una ganancia G =10 R3 = 10 R1 R1 = R2 = 10R4 = 10 R2 R3 = R4 = 100


Obtenemos los valores de la siguiente tabla:

PT 100 Ω R1 Ω R2 Ω R3 Ω Vi

634 100 634 6119.40 634 100 634 6138.51 634 100 634 6157.33 634 100 634 6175.86 634 100 634 6

Tabla 3:

al como se muestra en la tabla 3, la variación de Vd con la variación de la ra es muy pequeño, solo varia 490 mV al variar la temperatura de 0

DA que disponemos, este diferencial de tensión es muy pequeño, por lo que nos vemos obligados rediseñar el circuito de la figura 2

Para el nuevo diseño, hemos pensado en amplificar la señal de salida de la RTD, y después hacer el diferencial de tensión necesaria para analizar con el

Para solucionar el problema hemos pensado en un amplificador operacional LM358, utilizándolo como restador tal como se muestra en la siguiente figura

= t*u.*] + * 0* .*u + *0v − t]* v

Donde las resistencias calculadas para una tener en la salida la tensión , es decir ampliar el diferencial de tensión de entrada 10 veces,

obteniendo del amplificador una ganancia G =10.

R1 R1 = R2 = 10Ω R4 = 10 R2 R3 = R4 = 100Ω

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i (V) Vd (V) 6 0 6 0,13 6 0,26 6 0,38 6 0,49

con la variación de la 0 mV al variar la temperatura de 0

DA que disponemos, este diferencial de tensión es muy pequeño, señar el circuito de la figura 2.

Para el nuevo diseño, hemos pensado en amplificar la señal de salida de la ria para analizar con el

Para solucionar el problema hemos pensado en un amplificador operacional LM358, utilizándolo como restador tal como se muestra en la siguiente figura:

v

Donde las resistencias calculadas para una tener en la salida la tensión , es decir ampliar el diferencial de tensión de entrada 10 veces,


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Quedando el circuito tal como se ve en la siguiente figura:

Figura 4. 2.3.1. Simulaciones y pruebas Simulamos el circuito de la figura 4, en el programa Multisim, y obtenemos los siguientes resultados en la salida:

PT 100 Ω R1 Ω R2 Ω R3 Ω Vi (V) Vd (mV) 100 634 100 634 6 0 120 634 100 634 6 315 140 634 100 634 6 316 160 634 100 634 6 317 175 634 100 634 6 318

Tabla 3: Por lo que los resultados obtenidos, tal como se muestra en la tabla 3, no corresponden a los exigidos para el funcionamiento de la AD-DA. Buscando el porqué no ha respondido el circuito a los cálculos, nos damos cuenta, que en paralelo a las resistencias de 100 Ω y la PT100, colocamos el montaje del circuito de amplificación, por lo que la resistencia total del divisor de tensión disminuiría muchísimo por lo que la tensión a amplificar es muy pequeña, y se colocamos unas resistencias muy grandes para amplificar la tensión de entrada, corremos el riesgo de interferencias que variarían las entradas de tensión esperadas.

Vi6 V

R1634Ω

R2100Ω

R5

100Ω

R6634Ω

R7

10Ω

R8100Ω

U1A

LM358N

3

2

4

8

1

3

1

GND

GND

7

R4

10Ω2

5

PT100RTD

6

GND


2.4. Tercer diseño del circuito de medición de temperatura Para solucionar el problema del diseño anterior (Figura 4), pensamos en colocar seguidores de tensión para conservar la tensión del divisor de ttanto de la Pt100 como de la resistencia de

Pero aún así seguiremos teniendo pérdidas, entonces pensamos en algo más preciso, analizando los apuntes de instrumentación electrónica, nos encontramos con el amplificador de instrumentación.

2.4.1. Cálculos, Simulaciones y pruebas Calculamos las resistencias del amplificador de instrumentación, para una ganancia G=10.


diseño del circuito de medición de temperatura

Para solucionar el problema del diseño anterior (Figura 4), pensamos en colocar seguidores de tensión para conservar la tensión del divisor de ttanto de la Pt100 como de la resistencia de 100Ω,

Pero aún así seguiremos teniendo pérdidas, entonces pensamos en algo más preciso, analizando los apuntes de instrumentación electrónica, nos encontramos con el amplificador de instrumentación.

Cálculos, Simulaciones y pruebas

Calculamos las resistencias del amplificador de instrumentación, para una

= .1 ! 20 H1 & 2*1*N

I *3*2

w H1 & 2*1*N

I *3*2

10 H1 & 2*1*N

I *3*2

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diseño del circuito de medición de temperatura

Para solucionar el problema del diseño anterior (Figura 4), pensamos en colocar seguidores de tensión para conservar la tensión del divisor de tensión,

Pero aún así seguiremos teniendo pérdidas, entonces pensamos en algo más preciso, analizando los apuntes de instrumentación electrónica, nos

Calculamos las resistencias del amplificador de instrumentación, para una


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Dando a cada multiplicando los siguientes valores: 2 = t1 + 2*1

*N v * = 2*1 5 = *3

*2 *] = 2*2

Dando lo siguientes valores a las resistencias:

Rg = Potenciómetro de 2KΩ R1 = 1kΩ R2 = 200Ω R3 = 1KΩ Quedando el circuito final tal como se ve en la siguiente figura:

Figura 5.

Vi6 V

R1634Ω

R2

100Ω

R5

500Ω

R6634Ω

R7

100Ω

R8500Ω

R4

100Ω

U2A

LM358N

3

2

4

8

1

R3100Ω

U3A

LM358N

3

2

4

8

1

R101000Ω

R111000Ω

R92kΩKey=A

49%

9

10

U1A

LM324AD

3

2

11

4

1

5

3

8

4

27

0

1

6


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Simulamos el circuito de la figura 5, en el programa Multisim, y obtenemos los siguientes resultados en la salida:

PT 100 Ω R1 Ω R2 Ω R3 Ω Vi (V) Vd (V) 100 634 100 634 6 0 120 634 100 634 6 1,12 140 634 100 634 6 2,49 160 634 100 634 6 3,72 175 634 100 634 6 4,52

Tabla 4

Una imagen de las pruebas realizadas con Multisim, correspondiente a las tensiones de la tabla 4:

Pt100 = 120 Ω = 52 ºC Pt100 = 140 Ω = 104 ºC Pt100 = 175 Ω = 198 ºC


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En la simulación los resultados obtenidos son los esperados y los que necesitamos para nuestra plataforma. El prototipo inicial del circuito de la figura 5, montado en la placa Protoboard para realizar las pruebas, y verificar los datos obtenidos y clasificados en la tabla 4 correspondientes a la simulación con Multisim, tal como se muestra en la imagen:

Imagen 2 : Circuito de la figura 3 montado en una protoboard para realizar pruebas.

Una vez montado el circuito tal como se muestra en la imagen 2, se realizan unas pruebas iniciales para ver el comportamiento del circuito en la realidad, dando los siguientes resultados: Tabla de resultados obtenidos:

PT 100 Ω R1 Ω R2 Ω R3 Ω Vi (V) Vd (V) 101 634 100 634 6 0.07 110 634 100 634 6 0.70 122 634 100 634 6 1.43 129 634 100 634 6 1.86 137 634 100 634 6 2.37

Tabla 4:


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Pruebas iniciales Con un recipiente con agua a 0 ºC:

Con un recipiente con agua a 56 ºC

Tanto la simulación como las pruebas en la placa han resultado correctas, por lo que hemos decidido montar el circuito.


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2.4.2. Material necesario para el montaje Una vez realizadas todas la pruebas, y verificamos el correcto funcionamiento circuito, nos ponemos mano a la obra para implementar este circuito. A continuación definimos la siguiente tabla, una lista de materiales que hacen falta para la elaboración del circuito:

Material Unidades

Placa de baquelita 1u

Alambre plastificado 1x1.0 1m

Resistencia 634 Ω 2u




Potenciómetro de 2 kΩ 1u

Operacional LM324 1u

Transformador de 6V 1u

Conector para cable del transformador 1u

Caja de PVC 3 x 12 x 5.5 1u

Zócalo de 14 pins 1u Tabla 6.

2.4.3. Mecanizado de les cajas El circuito de medición de temperatura necesitará de un montaje en una caja, para la protección del circuito y lo componentes, por eso una vez implementado el circuito en una placa de baquelita, se pretende protegerlo en una caja de PVC de 3 x 12 x 5.5. Para el correcto mecanizado de la caja hay que realizar los siguientes pasos:

1. Presentar la placa encima de la caja tomando la medida de los dos agujeros que harán de soporte de la placa, marcando con un rotulador el lugar exacto donde deben ir los dos agujeros respecto de la placa.


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2. Marcar con un lápiz la posición del conector del puerto paralelo DB-25 marcando también los dos agujeros del conector en la caja.

3. Marcar el lugar donde se pondrá el pasa-cables por donde pasara el cable alargador del sensor.

4. Marcar el lugar donde se pondrá el pasa-cables por donde pasara el cable del transformador.

5. En un banco de trabajo taladrar todos los agujeros de la caja con una broca de 3 milímetros de diámetro para que al realizar los siguientes agujeros de diámetros superiores no haya problemas.

6. Taladrar con broca de metal de 4 milímetros de diámetro los dos agujeros que servirán para que se pueda sujetar la placa a la caja.

7. Hacer los agujeros para los pasa-cables.

8. Realizar agujeros con broca de metal de 6 milímetros el uno al lado del otro creando de esta forma el agujero del conector de 25 pins del puerto paralelo.

9. Repasar con una lima todos los agujeros quitándoles de esta forma toda la rebaba creada y evitando así posibles cortes.


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Una vez terminada la mecanización de la caja y montada la placa el resultado final es el siguiente:

Montaje interior del circuito


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2.4.4. Calibración del la Pt100 Una vez montado el circuito tal como se muestra en las imágenes anteriores. Procedemos a realizar las pruebas de calibración y cálculos para la realización de la recta de regresión lineal por la que nos guiaremos para controlar la temperatura del horno. Para la obtención de la calibración, procedimos a realizar la siguiente prueba:

Entonces hemos decidido tomar 2 puntos de referencia para realizar la recta de regresión lineal. Medimos los bits y el voltaje en las temperaturas de 25,6ºC (Temperatura ambiente) y 100ºC (Temperatura ebullición del agua), tal como se muestra en el gráfico anterior. Tomamos medidas a temperatura ambiente, y adjuntamos los datos, y luego calentamos el agua hasta hervir a los 100ºC y volvemos a tomas los datos. Los rangos de la AD-DA son: 214 = 16384 bits = 10V 0 bits = -10V Y los resultados obtenidos son: T = 25,6ºC T = 100ºC Bits AD-DA = 9688 Bits AD-DA = 10680 bits Tensión = 1,82 V Tensión = 3,04 V Haciendo la regla de tres, nos quedamos con la seguiente ecuación: T = 0,0745 b – 705,31 Donde T es la temperatura medida, y b es la lectura en bits del AD-DA.


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2.5. Pico-Amperímetro Basándonos en el proyecto de Xavi Montolio sobre pico-amperímetro, intentamos mejorar el diseño haciendo las modificaciones correspondientes, y posterior elaboración del diseño. Una vez elaborado el diseño, mediante la realización de las pruebas analizamos el correcto funcionamiento del Pico-amperímetro. 2.6. Primer diseño del circuito del Pico-amperímetr o El pico-amperímetro consiste en un amperímetro que mide corrientes muy bajas, de entre 1 µA a los 0,1 pA, y esa corriente la transformamos en tensión con un conversor I-V, y la amplificamos mediante un amplificador operacional (CA3420), y mediante la resistencias de 10 GΩ y la de 1MΩ, obtenemos una tensión elevada que podemos medir.

En la siguiente figura se muestra el diseño inicial del pico-amperímetro, que se recomienda en el Datasheet de CA3420:

Figura 6.


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2.7. Segundo diseño del circuito del Pico-amperímet ro El circuito de la figura 6 no funcionaba del todo bien. Debido a su alta sensibilidad, necesitaba de gran aislamiento.

Entonces decidimos modificarlo, para que sea un poco menos sensible a las interferencias en el aire, y después intentar aislarlo en una caja metalizada.

Para el nuevo diseño pensamos en el diseño realizado en el proyecto “Diseño y realización de un electrómetro” por Xavier Montolio , que el circuito consistía en la siguiente figura:

Figura 7.


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Figura 8.

Este circuito funcionaba, pero aun así, no daba los resultados esperados, por lo que decidimos aumentar los filtro para unas frecuencias más grandes y montar el circuito.

Para eliminar frecuencias de hasta los 50Hz de la red eléctrica, hemos utilizado, 2 resistencias de 20 GΩ en paralelo con un condensador de 101pF, y con lo condensadores de 0.1 µF utilizados para eliminar las pequeñas frecuencias acumuladas en el amplificador. Quedando el circuito final tal como se muestra en la figura 9.


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En la siguiente figura se muestra el diseño final del pico-amperímetro elaborado:

Figura 9. 2.7.1. Elaboración del Pico-Amperímetro

El circuito es muy simple, se puede montar en una plaquita de baquelita, con el circuito integrado en un zócalo dejando la entrada inversora (patilla 2) al aire ya que cierta parte del circuito necesitara estar al aire, siendo el aire mejor aislante que la placa.

CA3420

3V

-3V

10kΩKey=A

50%

10kΩKey=A

50%

C1100nF

C2100nF R3

5.49kΩ

R45.49kΩ

R5

1MΩ

R6

10MΩ

R7

20GΩ

R8

20GΩ

I11 A

C3

100pF

R910.0kΩ

R1010.0kΩ

R1110.0kΩ

R1210.0kΩ


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La siguiente imagen muestra como se ha implantado la parte del circuito que es muy sensible a las interferencias y necesita de mucho aislamiento:

El conjunto completo se puede incluir en una caja metálica con pilas en el exterior. Como requiere una alimentación simétrica de ±3 voltios es necesario hacer una toma extra en un porta-pilas estándar. Además se he empleado un selector de cuatro posiciones que conmuta entre Apagado, 100 picoA, 10 picoA y 1 picoA:


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La entrada se realiza con un conecto coaxial UHF para panel, y la salida a través de dos bananas miniatura donde pueden conectarse las puntas de prueba de cualquier Tester.

Antes de montar el circuito integrado en el zócalo conviene doblar la patilla 2 para que no entre en él y quede al aire. El objetivo de esta operación es evitar cualquier posible fuga a través de contactos innecesarios con esta patilla.

Al conector coaxial UHF de la entrada se suelda directamente a la resistencia de 1 M (1/4W) y esta a la de 10 M que va a la patilla 2. Teniendo en cuenta que este operacional tiene una resistencia de entrada de más de 10 Gigahomios y que la humedad o una falta de aislamiento pueden degradar sus prestaciones.

Salvo el circuito conectado a la pata 2, el resto del circuito no plantea requisitos especiales.


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2.7.2. Material necesario para el montaje Después de analizar cómo debe ser elaborado, nos ponemos mano a la obra para implementar este circuito. A continuación definimos la siguiente tabla, una lista de materiales que hacen falta para la elaboración del circuito:

Material Unidades

Placa de baquelita 1u

Alambre plastificado 1x1.0 1m

Potenciómetro de 10 KΩ 2u



Resistencia 1 KΩ 1u

Resistencia 5K1 2u

Resistencia 10KΩ 1u

Resistencia 1MΩ 1u

Resistencia 10MΩ 1u

Resistencia 20GΩ 2u

Operacional CA3420 1u

Condensador cerámica 100pF 1u

Condensador cerámica 100µF 2u

Caja metálica ViseVox 80x40x125 1u

Conector tipos banana 4mm de plástico 2u

Selector de 12 posiciones 1u

Conector coaxial 1u

Porta pilas de 4 pilas 1u

Piles d’1.5V 4 0.755 3.02 4u

Zócalo de 8 pins 1u Tabla 6. 2.7.3. Mecanizado de las cajas Para el Pico-Amperímetro se ha utilizado una caja metálica de 80x40x125 para proteger la placa de cualquier interferencia producida por la corriente electrostática que se encuentra en el ambiente. Además, como es lógico para proteger la misma placa de golpes, polvo y cualquier tipo de problema que pudiera tener si no estuviera la placa protegida por la caja.


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Para el correcto mecanizado de la caja hay que realizar los siguientes pasos:

1. Presentar la placa sobre la caja con medidas exactas para que la placa entra en la caja a presión.

2. Marcar a lápiz el lugar donde se pondrá el conector coaxial, los dos conectores tipo bananas, el selector y el pasa-cables para la alimentación del chip.

3. En un banco de trabajo taladrar todos los agujeros de la caja con una broca correspondiente a cada agujero.

4. Repasar con una lima todos los agujeros quitándoles de esta forma toda la rebaba creada y evitando así posibles cortes.

5. Una vez realizados los agujeros, colocar el conector coaxial, para poder soldarlo con las resistencias de 1 MΩ, y el selector para poder conectarlo con las resistencias correspondientes.

Una vez terminada la mecanización de la caja y montada la placa el resultado final es el siguiente:


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3. Resultados 3.1. Ámbito de utilización Circuito de medición de temperatura El circuito diseñado para la toma de las temperaturas y su transformación en voltaje es parte de un proceso de control de temperatura de un horno diseñado por Marcos Ramos en su proyecto “Control automático de una célula de medida” para la realización de pruebas de compuestos, polímeros, mediante cambios de temperatura. Este proceso tiene la siguiente estructura:

Diagrama 1. Este diagrama de bloques representa las diferentes etapas que constituyen el proceso. A continuación vamos a realizar una prevé explicación del proceso realizado por marcos, y en el que añadimos nuestro diseño. El circuito basado en relés de estado sólido formaría parte de la etapa actuador. Este circuito tiene como función proporcionar las características necesarias a la señal de control para hacer actuar a la planta. La etapa planta seria el proceso propiamente dicho, esta etapa es la formada por el ventilador, la resistencia calefactora y el recipiente que realiza la función de horno, en este caso la lata de aluminio. Para realizar el lazo de realimentación, que sea capaz de reflejar los parámetros obtenidos en la salida del proceso y enviarlos al proceso de control, se ha utilizado el circuito representado, como este circuito es capaz de proporcionar una tensión proporcional a la variación de temperatura º C exactamente 25mV/ºC. Es decir, que a una temperatura de 0 ºC nos


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proporcionara una tensión de 0V, y si estamos a una temperatura de 200ºC nos proporcionará 5V. La etapa acondicionadora es la encargada de capturar los datos que provienen del sensor, en este caso TENSION y acondicionar estos de forma que puedan ser leídos, comparados y tratados por la etapa de control. Esta etapa acondicionadora está constituida por la tarjeta SUPER 14bits AD/DA. Esta tarjeta es capaz de capturar, en la configuración particular para que se haya programado (Monopolar de 0V a 5V) señales de 0V a 5V y transformar esta señal, en una señal digital con una resolución de 14 bits. Para finalizar como etapa de control, tenemos el PC. En este PC se ha de programar una aplicación capaz de controlar todos estos circuitos. Este diseño tal y como esta creado solo puede utilizarse para el control de procesos térmicos, aunque se pueden extrapolar algunos de sus esquemas y programas para otras utilidades de control. Está diseñado para ser utilizado, en laboratorios pequeños, y para desarrollos con poco presupuesto económico. Pico-Amperímetro Como ya se ha ido comentando anteriormente, el ámbito de utilización de este sistema está orientado sobre todo para laboratorios, tanto docentes como laborales, y por supuesto podríamos incluir su posible utilización en empresas pequeñas o industrias en aplicaciones que no requieren una gran precisión. 3.2. Validación de diseños

Una vez se han implementado los diseños, se realiza la validación de los cuales probando en el laboratorio, para ver si cumplen todas las características que se han definido. Validación del sistema de medición de temperatura Nuestro circuito de medición de temperatura diseñado y elaborado, ha funcionado correctamente, dándonos valores muy próximos a los calculados, en la fase de simulación. Por lo que nos podemos fiar las portaciones de este equipo.


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Validación del Pico-Amperímetro Así el caso del Pico-Amperímetro después de realizar el montaje final, se han realizado unas pruebas para ver el correcto funcionamiento de las equipo. Pero para la realización de las pruebas, hacía falta un nuevo diseño, que nos suministrara corrientes tan bajas. Diseño de la fuente de corriente para alimentar el Pico-Amperímetro Como puede verse, para obtener la intensidad necesaria para nuestro circuito, se conecta una resistencia de 5GΩ en serie con un potenciómetro de 10kΩ alimentados con una fuente de alimentación (En nuestro caso una pila de 9 V) y conectados al conector coaxial, que es la entrada de nuestro diseño. Quedando el circuito final como el siguiente:


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Antes de probar el funcionamiento del Pico-Amperímetro, analizaremos la calibración de la resistencia de 5GΩ, con un tester y un electrómetro. Obteniendo los resultados adjuntos en la siguiente tabla:

Tabla 7.

Tensión en bornes de R=5Ω (V)

Corriente que pasa por el conector de salida (A)

0,50 2,20E-11 0,77 4,00E-11 1,00 6,00E-11 1,26 7,00E-11 1,49 9,00E-11 1,78 1,20E-10 2,03 1,40E-10 2,25 1,60E-10 2,49 1,80E-10 2,76 2,20E-10 3,00 2,60E-10 3,26 2,80E-10 3,51 3,20E-10 3,74 3,60E-10 4,01 3,80E-10 4,26 4,40E-10 4,49 4,80E-10 4,76 5,20E-10 5,01 6,00E-10 5,53 7,00E-10 6,26 8,00E-10 6,76 9,00E-10 7,02 1,00E-09 7,25 1,10E-09 7,78 1,20E-09


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Y si los representamos, obtenemos el siguiente gráfico:

Gráfico 11.

Tal como observamos en este grafico, el funcionamiento de la fuente de corriente es bastante continuo y casi lineal, y los puntos de salto son debido a las interferencias de los equipos que se encontraban alrededor y nuestra no tan exacta precisión a la hora de tomar datos. Por lo que podemos dar por bueno el resultado obtenido.

y = 2E-10x - 2E-10

R² = 0,9647

-2,00E-10

0,00E+00

2,00E-10

4,00E-10

6,00E-10

8,00E-10

1,00E-09

1,20E-09

1,40E-09

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

Tít

ulo

de

l e

je

Título del eje

Grafica de calibración de R = 5 GΩ

V-I

Lineal (V-I)


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Valores y gráfica del pico-amperímetro en la escala 1 del selector:

VALORES DE ENTRADA AL PICO-AMPERÍMETRO (V)

VALORES DE SALIDA DEL PICO-AMPERÍMETRO (V)

0,19 0,05 0,47 0,06 0,70 0,08 1,00 0,11 1,24 0,14 1,48 0,17 1,76 0,20 2,01 0,23 2,25 0,26 2,51 0,30 2,74 0,34 2,98 0,38 3,24 0,41 3,49 0,47 3,95 0,59 4,20 0,70 4,49 1,82 4,75 2,20 5,02 2,50 5,28 2,60 5,52 2,86 5,76 2,89

Tabla 8.

A continuación la gráfica generada a partir de la tabla 8

Gráfico 14.


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Gráfico con la escala ampliada hasta los 4V de entrada

Gráfico 15.

En la gráfica 14, los primeros valores han sido ampliados en otra gráfica para poder examinar mejor su tendencia, dando resultado a la grafica 15 Por otra parte en la gráfica también se refleja tanto la ecuación de la recta (y) y el coeficiente de correlación (R²). Con la ecuación de la recta se puede establecer una relación como la siguiente:

Vout = A·Vin + B

Sabiendo que V=I R i R = 5·109

Entonces: I = (Vout - B) / A·R I = (Vout – 0,0093) / (0,1278·5·109)

Al poner el valor de la tensión de salida y realizar el cálculo, obtienes la corriente de salida, por ejemplo para el caso de tensión de salida 2,5V la corriente de entrada es de 3,89·10-9A.


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Valores y gráfica del pico-amperímetro en la escala 2 del selector:



0,25 0,40 0,51 0,59 0,77 0,78 0,99 0,93 1,23 1,14 1,50 1,40 1,73 1,65 1,97 1,88 2,25 2,16 2,55 2,45 2,80 2,69 3,01 2,80 3,23 2,83 3,42 2,85 3,65 2,86

Tabla 9.

A continuación la gráfica generada a partir de la tabla 9.


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Con la ecuación de la recta se puede establecer una relación como la siguiente:

Vout = A·Vin + B

Sabiendo que V=I R i R = 5·109

Entonces: I = (Vout - B) / A·R I = (Vout – 0,0896) / (0,9097·5·109)

Al poner el valor de la tensión de salida y realizar el cálculo, obtienes la corriente de salida, por ejemplo para el caso de tensión de salida 2,5V la corriente de entrada es de 5,30·10-10A.

Y con el selector 3, al intentar realizar las pruebas, la variación era tan pequeña que no podemos tomar datos y realizar una tabla de datos. Pero después de mucho esfuerzo podemos tomar un único dato:



0,139 2,71 3.3. Descripción del funcionamiento

Una vez se ha realizado la validación de nuestros diseños, se puede pasar a la descripción de su funcionamiento.

Sistema de medición de temperatura La principal aplicación de este equipo, es que puede proporcionar-nos datos tan precisos de temperatura de un horno cuando la temperatura de este ronda entre los 0ºC y los 200ºC, por otra parte, podemos acceder a esta información por el puerto paralelo DB-25 que nos proporciona por la patas 11 y 12 la tensión correspondiente a la temperatura tomada.

La forma de funcionar es muy simple, y lo detallamos en los siguientes pasos:

- Conectamos el transformador a la red eléctrica. - Conectamos mediante el puerto paralelo DB-25 con un conector de

puerto paralelo con la tarjeta AD-DA. - Ponemos el sensor de temperatura en recipiente deseado.


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- Y ejecutando el programa que adjuntaremos más adelante con nombre “TERMO” tomar los datos de salida de nuestro equipo.

Pico-Amperímetro

La principal aplicación que nos encontraremos será medir la corriente en cualquier sistema.

Y su funcionamiento lo vamos a describir en los siguientes pasos:

- En primer lugar el circuito se alimenta a ±3V, y por tanto no hace falta de una fuente de alimentación, sino que con las cuatro pilas instaladas de 1.5V cada ya hay suficiente.

- En cuanto a la entrada, tiene un conector coaxial donde se podrá enchufar una sonda o por defecto una fuente de corriente. con el selector de escaleras que hay instalado, podemos analizar corrientes con diferentes rangos.

- Siguiendo el mismo procedimiento, lo primero que se hará es el ajuste a cero del offset. Para realizarlo el tester que se coloque a la salida deberá ir conectado el positivo con el conector positivo de salida y el negativo a masa e ir regulando los dos potenciómetros existentes.

- El ajuste de offset se gradúa mediante el potenciómetro de 10K que hay entre el PIN n º 1 y el PIN n º 5 del operacional, el ajuste a cero es el potenciómetro de 1K que hay entre la salida positiva y las alimentaciones en el circuito. El offset se ajusta por salida cero con entrada de corriente cero y eso se consigue como se ha comentado cuando la entrada está en circuito abierto.

- Una vez ajustado el circuito se procede a alimentarlo, tanto en la entrada como en el interior del circuito. Activará el interruptor en la posición de ON para obtener los ±3V necesarios.

- Una vez hecho este, se puede proceder a introducir valores en la entrada para ver el resultado en el display del tester de salida.

- En el caso de tener una fuente de alimentación además una resistencia fija la entrada, iremos incrementando los valores de voltaje en la fuente para poder visualizar la relación en la salida, también en voltaje.


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3.4. Descripción funcionamiento del programa

Para el diseño de la etapa de control se necesita programar un software en C, este programa ha de ser capaz de controlar todas las variables del sistema y realizar las siguientes funciones: Captura y refresco de datos provenientes del sensor. PROGRAMA TERMO.C Este programa que ha realizado Marcos en su proyecto, pensando en una aplicación capaz de capturar y refrescar los datos provenientes del sensor. Este programa ha de ser capaz de capturar los datos obtenidos y transformados por la tarjeta SUPER 14 bits AD/DA, tratarlos y proporcionar una salida en º C. Respecto al programa de Marcos, solo hemos modificados los canales de entrada a la AD-DA, variado la formula de la regresión lineal, y añadido una lectura que corresponde a la temperatura tomada y una corresponde a los bits de datos con los que hacemos la regresión para imprimir la temperatura correspondiente. Este programa se ha realizado en C++ y tiene el siguiente código: #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <asm/io.h> #define BASEPORT 0x260 /* AD/DA */ int a, i, j, k, m, hb, lb, dmy, retard, kk; float temp; int main() retard=1500;

if (ioperm(BASEPORT,13,1))

perror("No te doy permiso para acceder a la AD/DA! :-("); exit(1);

// Leer del canal 0 que corresponde a la pata 11

for (kk=0; kk<10; kk++)


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outb(0,BASEPORT); // Limpiar registro outb(0,BASEPORT+1); // Empezar la conversión for (i=1; i<=8; i++)

j = inb(BASEPORT+12); for(dmy=0; dmy<=retard; dmy++);

for (i=1; i<=8; i++)

j = inb(BASEPORT+8); for(dmy=0; dmy<=retard; dmy++);

// Leer valor k = inb(BASEPORT+3); m = k/64; hb = k - 64*m; lb = inb(BASEPORT+2); a = hb*256 + lb; volt = 20a /16383.0-10.0; temp = 0.0754a - 705.31; printf("Lectura AD-DA %d Volts %f Temp %f \n", a, volt, temp);

if (ioperm(BASEPORT,13,0))

perror("No te retiro el permiso para acceder a la AD/DA! :-("); exit(1);

exit(0);


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3.5. Aplicaciones del proyecto

Tanto el sistema de medición de temperatura como el pico-amperímetro, tienen muchas aplicaciones validas para diferentes campos.

Empezamos por el sistema de medición de temperatura, en el que encontramos que la aplicación principal es el de medir temperatura, tanto si necesitamos precisión como si no.

En lo que respecta al pico-amperímetro, tenemos varias aplicaciones, como las siguientes:

- Sin duda la aplicación más obvia es la medición de intensidades. - Medición de la viscosidad de una sustancia. - Medición de la cantidad de sustancia transportada en una banda

transportadora. - Medida de señales entre los rangos establecidos de µA a pA en lazos de

medida en instrumentación industrial.


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4. Comentarios finales

4.1. Plan de trabajo

A continuación se indican los pasos realizados durante la totalidad del proyecto. Estos están ordenados cronológicamente, desde el primer hasta la última en la elaboración de este proyecto:

1. Estudio del método de trabajo de un sistema de medición de temperatura con PT100.

2. Buscar los circuitos más idóneos para este tipo de montaje.

3. Realizar los cálculos para el diseño del circuito.

4. Montaje del circuito en la placa protoboard para realizar pruebas.

5. Analizar el circuito dado por el DataSheet del Pico-Amperímetro.

6. Buscar soluciones y mejoras para equipo.

7. Buscar información sobre temas de aislamiento de circuitos.

8. Realización del montaje del circuito de medición de temperatura en una placa de baquelita.

9. Realización del montaje del Pico-Amperímetro en una placa de

baquelita.

10. Realización de la fuente de intensidad para probar el Pico-Amperímetro.

11. Mecanización de la caja de plástico del sistema de medición de temperatura.

12. Mecanización de la caja de plástico del pico-amperímetro.

13. Comprobación de resultados una vez montados los dos diseños

en las cajas respectivas.

14. Ajustar el valor resistivo de los potenciómetros a las exigencias de diseños. Tanto el ajuste de offset, como el ajuste a cero.

15. Realización de varias pruebas con todos los montajes anteriores

tanto en los contactos como con su funcionamiento.


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4.2. Presupuesto

Uno de los objetivos de este proyecto era poder realizar un los dos montajes con un coste inferior al que tienen en el mercado. Estos aparatos tienen un coste muy elevado en el mercado, por lo tanto uno de los principales objetivos del proyecto es conseguir construir estos aparatos con características similares con componentes accesibles, y sobre todo con un coste reducido. A continuación se detallan los precios de todos los componentes y elementos utilizados a lo largo de toda la elaboración de este proyecto para cada uno de los equipos. En el tabla siguiente esta el coste del material para la elaboración de del sistema de medición de temperatura: Material Unidades Precio unidad € Total €

Placa de baquelita 1 2,42 2,42

Alambre plastificado 1x1.0 1 1,16 1,16

Potenciómetro de 10 KΩ 2 0,56 1,12

Resistencia 10 Ω 1 0,06 0,12


Resistencia 1 KΩ 1 0,06 0,06

Resistencia 5K1 2 0,06 0,12

Resistencia 10KΩ 1 0,06 0,06

Resistencia 1MΩ 1 0,06 0,06

Resistencia 10MΩ 1 0,06 0,06

Resistencia 20GΩ 2 1,98 3,96

Operacional CA3420 1 2,12 2,12

Condensador cerámica 100pF 1 0,05 0,05

Condensador cerámica 100µF 2 0,08 0,16

Caja metálica ViseVox 80x40x125 1 8,65 8,65

Conector tipos banana 4mm de plástico 2 1,29 2,58

Selector de 12 posiciones 1 3,81 3,81

Conector coaxial 1 1,32 1,32

Porta pilas de 4 pilas 1 0,59 0,59

Piles d’1.5V 4 0.755 3.02 4 0,46 1,84

Conector para cable del transformador 1 1,95 1,95

Horas montaje 5 25 100

Total 157,27


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En el tabla siguiente esta el coste del material para la elaboración de Pico-amperímetro:

Material Unidades Precio unidad € Total €

Placa de baquelita 1 2,42 2,42

Alambre plastificado 1x1.0 1 1,16 1,16



Operacional LM358 2 0,11 0,22

Transformador de 6V 1 5 5

Conector para cable del transformador 1 1,95 1,95

Caja de PVC 3 x 12 x 5.5 1 6,90 6,90

Zócalo de 8 pins 1 0,1 0,1

Horas montaje 4 25 100

Total 118,17 4.3. Puntos alcanzados

Una vez realizado todo el proyecto, las metas que se han conseguido son las siguientes:

1. Realización de un sistema de medición de temperatura.

2. Elaboración de un pico-amperímetro con selector de escala.

3. Calibración de los diseños.

4. Ensamblaje y mecanizado de las cajas donde colocar los diseños.

5. Realizar pequeñas mejoras en el horno para alcanzar los 200ºC.

4.4. Conclusiones

Para evitar las pequeñas corrientes que circulan por la placa de baquelita, se han montado las resistencias de 20GΩ, el condensado y la resistencias de entrada de un 1MΩ y 10MΩ al aire conectándolas a pata 2 del CA3420 y conector coaxial UHF, ya que el aire es mas aislante que la placa. Para este tipo de proyecto es muy importante que los operacionales, que se decidan utilizar ofrezcan las menores pérdidas posibles.


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Es importante la utilización de potenciómetros en vez de resistencias fijas, para poder graduar el valor resistivo que se desee y no someter a un valor fijo. Hay disponibles muchos componentes electrónicos de bajo coste como resistencias, potenciómetros, operacionales,... que pueden usarse con éxito como reguladores y conversores. La entrada a circuito es conveniente que se haga con conectores de tipo coaxial, así como con cable del mismo tipo, ya que beneficiará la estabilidad de las medidas. El hecho de alimentar por el exterior el pico-amperímetro como el sistema de medición de temperatura, es para evitar un consumo sin la utilización de los equipos, es decir que cada equipo solo se alimentará cuando se pondrá en uso. El sensor de temperatura PT100 es una buena alternativa a los clásicos sensores resistivos que se suelen emplear en el control de temperatura, y su coste no es tan elevado. La temperatura de 200ºC que debía alcanzar el horno de forma progresiva es alcanzable de con pocos arreglos en el diseño del horno. Las ideas que se han implementado son suficientemente generales como para poder ser aplicadas en una gran variedad de fines. 4.5. Mejoras futuras

Respecto a las mejoras que se podrían hacer en los dos diseños, es el montaje de los dos diseños en circuitos impresos PCB, de forma que habría menos interferencias por el cableado, y el circuito podría esta mas compacto, hecho que podría disminuir las corrientes estáticas. Respecto al coste de elaboración tanto del pico-amperímetro como del sistema de medición de temperatura, el coste total de los montajes es de 275,44€, este coste se reduciría, si se realizara en placas de circuito impreso PCB, que conlleva a la reducción de horas de los dos montajes. El coste final al elaborar los circuitos en placas de circuito impreso PCB podría reducirse a la mitad.


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5. Bibliografía

Libros:

Paul Malvino, A. (7ª Edición 2007). Principios de electrónica. Madrid. Ed. Mc Graw Hill.

Ogata.K Ingeniería de control moderno. Editorial Prentice Hall.

Advanced Linux Programming. Marck Mitchell, Jeffrey Oldham, Alex Samuel.

Apuntes:

Instrumentación electrónica

Electrónica analógica

Páginas web:

http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/5/LM358.shtml

http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/U/A/7/4/UA741.shtml

http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/A/3/4/CA3420.shtml

http://www.cientificosaficionados.com/tbo/electrometro/picoamperimetro.htm

Artículos:

Development of the ideal Op Amp equations de Ron Mancini de Texas Instruments.

Mejora de un equipo de espectroscopia dieléctrica...

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