Trabajo Final Anibal Corrigido Rev7 Final

Trabajo Final

SISTEMA DE MEDICIÓN DE CORRIENTE AUTO-RANGO, CON

ADQUISICIÓN DIGITAL, PARA ESTUDIAR LA RELAJACIÓN

DIELÉCTRICA DE LA GLUCOSA.

Alumno: Velázquez, Aníbal

Número de Alumno: 53055

Capitulo 1 Aporte de las mediciones Dieléctricas

1

Hidratación

Per

mit

ivid

ad

1ra r

egió

n

2da región 3ra región

Capítulo 1

Introducción a las Mediciones Dieléctricas:

En el Presente Capitulo se pretende ilustrar sobre la aplicación de los parámetros

dieléctricos a la biofísica.

1.1 Estudios:

Los estudios con mediciones dieléctricas no son una novedad en la biofísica,

existen numerosos antecedentes que utilizan este tipo de procedimiento y se puede

mencionar uno a modo de ejemplo: [1]

Una de las aplicaciones se da en el estudio de proteínas, donde las mediciones

dieléctricas de las proteínas en polvo permiten utilizar un parámetro controlable: el

grado de hidratación de la proteína.

Las proteínas poseen solamente una constante dieléctrica residual pequeña

cuando están secas, pero muestran un aumento considerable de la misma cuando

absorben moléculas de agua. Diversas proteínas, en forma de polvo cristalino,

encuentran una variación de la parte real de la permitividad con el grado de hidratación.

En un gráfico como el 1.1 se vería una primera región de baja hidratación, donde el

aumento del contenido de agua no afecta la permitividad, seguida de otra donde el

aumento del agua absorbida hace crecer rápidamente la permitividad y, finalmente, una

tercera zona donde la hidratación es relativamente alta y la posterior adición de agua

tiene muy poco efecto sobre la permitividad.

Figura 1.1: Gráfico de la parte real de la permitividad vs hidratación

Capitulo 1 Aporte de las mediciones Dieléctricas

2

1.2 Estudio que se pretende realizar con el equipo [2]

En el Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLySiB) se estudia

la Movilidad Molecular y el envejecimiento de glucosa en estado vítreo, con el objetivo

de mejorar la conservación de los alimentos.

Los hidratos de carbono desempeñan un papel importante en la estabilización de

los componentes biológicos bajo los efectos del agua estresada (termino utilizado en la

bibliografía para el agua congelada y descongelada) y, por consiguiente, en la

preservación de los alimentos. El estrés del agua puede producirse por congelación o el

secado. Esto genera daños en proteínas y tejidos, producidos principalmente por la

generación de grandes gradientes de concentración de sales. Algunos actúan como

protectores de los hidratos de carbono. Sin embargo aunque se han propuesto algunas

explicaciones, el mecanismo todavía no es bien conocido.

La eficiencia de la protección no es la misma para los diferentes hidratos de

carbono, ya que puede estar en relación con propiedades particulares del estado vítreo

de las soluciones de hidratos de carbono. La dinámica molecular de las glucosas

vitrificadas es de interés para el problema mencionado y ha sido objeto de una serie de

estudios, desde el punto de vista teórico y experimental.

De los métodos experimentales para estudiar la dinámica de los vidrios, la

relajación dieléctrica (o re acomodamiento de dipolos) es uno de los más citados en la

literatura. Pero debido al gran tiempo de relajación presente en los vidrios, la mayoría

de los resultados reportados se refiere a vidrios o líquidos. Son pocos los datos que

existen sobre el tema en los que la temperatura está por debajo de la temperatura de

transición vítrea. Esta temperatura es esencial para poder seguir el proceso de

envejecimiento de la glucosa.

Capitulo 2 Bases para el estudio de dieléctricos

3

Capítulo 2

Bases para el estudio de dieléctricos.

El presente capitulo expresa algunas consideraciones teóricas (básicas) sobre el

estudio de dieléctricos, con la intención de dar un panorama muy general sobre las

características principales del estudio que se realiza en el Instituto de Física de Líquidos

y Sistemas Biológicos

2.1 Polarización y constante dieléctrica.

En una primera aproximación se puede considerar que un material dieléctrico

está formado por dipolos. Un dipolo eléctrico es un sistema constituido por dos cargas

puntuales y de sentido contrario, separadas por una cierta distancia d. La principal

magnitud que caracteriza un dipolo es su momento dipolar eléctrico que puede definirse

como:

[2.1]

Siendo q el valor absoluto de una de las cargas eléctricas y dr

el vector de posición dirigido en el sentido de la carga negativa a la positiva.

Una magnitud macroscópica que da una idea de la cantidad de dipolos orientados en una misma dirección dentro del dieléctrico es la polarización. Se define el vector polarización de la siguiente forma:

[2.2]

2.2 Polarización de dieléctricos [3]

Como ya hemos dicho el vector polarización es una magnitud que se determina macroscópicamente. Sin embargo, debemos buscar a nivel microscópico los distintos mecanismos que darán lugar a la aparición y orientación de los dipolos, cuando sobre el dieléctrico se aplica un campo eléctrico. Dichos procesos son: Polarización orientacional: Este mecanismo se presenta únicamente cuando las moléculas poseen momento dipolar permanente. La presencia de un campo eléctrico modifica la situación inicial produciendo una nueva orientación de los dipolos permanentes existentes en el dieléctrico. Después de un cierto tiempo de aplicación del campo se alcanzará una situación de equilibrio en la cual habrá un mayor número de dipolos orientados en la dirección del campo aplicado.

dqprr

.=

dV

pdP

rr

=


4

Polarización inducida: En este caso, los materiales no tienen dipolos permanentes sino que dichos dipolos aparecen cuando se produce una redistribución de carga debida a la aplicación de un campo eléctrico. Se pueden distinguir en este grupo dos tipos de mecanismos similares pero que se diferencian por la forma en la que se induce:

• Polarización electrónica: Esta polarización surge como consecuencia del desplazamiento de la nube electrónica de los átomos o iones respecto del núcleo al aplicar un campo eléctrico. Este hecho induce un dipolo debido al desplazamiento de la carga negativa con respecto a la positiva.

• Polarización iónica: La polarización iónica se debe al desplazamiento elástico de los iones que componen la molécula cuando se aplica un campo eléctrico. Esta polarización se da exclusivamente en cristales iónicos.

2.3 Algunas relaciones fundamentales [4]

Las relaciones que existen entre el campo eléctrico y magnético en distintos materiales puede estudiarse en una primera aproximación con las relaciones que se expresan en el anexo 1

2.4 Fenómenos de relajación dieléctrica: modelo de Debye. [5][3]

En la región en que el campo aplicado es oscilatorio alternado y de baja

frecuencia se observan los fenómenos de relajación dieléctrica que se deben

fundamentalmente a los mecanismos de polarización orientacional (ver 2.2).

El proceso de relajación dieléctrica es un fenómeno por el cual el conjunto de

dipolos que se han orientado en la dirección del campo vuelven al estado de equilibrio

termodinámico (en el que se encontraban los dipolos permanentes). Mediante el modelo

de Debye se puede explicar el fenómeno, pero sólo en el caso de que el medio

dieléctrico a tratar sea puro (solo un componente dielectrico).

Aparte del momento dipolar permanente, las moléculas presentan también, bajo

la acción de un campo eléctrico, una polarización inducida cuya respuesta se considera

para todos los efectos como instantánea. A esta contribución de la polarización la

representaremos por P∞. En el modelo de Debye se sigue una ley exponencial

decreciente de acuerdo con la figura 2.12 esta variación de la polarización se da a partir

del instante en que el campo eléctrico se hace cero (función escalón negativa)

E = E0 u (-t).

[2.3]

Es decir, el vector polarización presenta dos contribuciones, la instantánea, dada

por el primer sumando, y la retardada, expresada en el segundo sumando. La primera

tiene la misma dependencia funcional que el campo eléctrico, mientras que la segunda

τ/)()()( tS ePPtuPtP −

∞∞ −+−=


5

ofrece una variación exponencial creciente o decreciente según sea el sentido de la

variación del campo.

Fig. 2.1 Variación temporal del vector polarización en un campo eléctrico que se hace cero en el instante t = 0 [función escalón negativa, u(-t)].

En todos los casos seguirá una expresión de tipo exponencial conocida como

Ley de Arrhenius:

(2.1)

Las constantes W y τ0 representan los parámetros de cada sistema, pues, W es una energía de activación, es decir, es aquella energía potencial necesaria para alcanzar la orientación del dipolo. Mientras que τ0 está directamente relacionada con la viscosidad del medio.

Los dos términos de la polarización pueden expresarse en función del campo aplicado, de manera que:

(2.2)

Teniendo en cuenta esa expresión para P, el desplazamiento eléctrico se puede

escribir como:

(2.3)

Donde D∞ y DS representan el vector desplazamiento eléctrico en los límites de

frecuencia alta y baja respectivamente.

Y derivando con respecto al tiempo, se obtiene la corriente de desplazamiento:

(2.4)

Dado que la expresión de la permitividad en función de la frecuencia es [2]:

)1)(()()( /τtS eDDtuDtD −

∞∞ −−+=

0/

0 )1

)(()()(

EetEt

tDJ t

Sdτ

τεεδε −

∞∞ −+=∂

∂=

kTW

e−•= 0ττ

( ) ( ) ( ) EeEtPt

S

rrr•

−•−+•−= −

∞∞τεεεε 10


6

(2.11)

Podemos identificar la función respuesta como Φ(t) con (e-t/τ)/τ, es decir:

(2.6)

Conocida la función respuesta, se puede calcular cualquiera de los parámetros

que caracterizan la respuesta del dieléctrico. En particular, para campos alternos

sinusoidales de frecuencia angular ω, la constante dieléctrica se puede calcular mediante

la expresión (2.7). Podemos poner, por tanto:

(2.7)

Habida cuenta de que el resultado de la integración es 1/(1 +iωτ) obtiene

finalmente:

. (2.8)

Por tanto, la parte real e imaginaria de la constante dieléctrica vendrán dadas por

las denominadas ecuaciones de Debye:

(2.9a)

(2.9b)

De acuerdo con el modelo de Debye la constante de tiempo τ representa el

tiempo de relajación del sistema, y está relacionada con la viscosidad del medio y con la

temperatura, la cual es válida cuando el sistema está formado por un conjunto de

moléculas polares que, no interaccionan eléctricamente y que giran libremente en un

medio viscoso.

En la figura 2.2 se da una representación gráfica de ε'(ω) — ε∞ y de ε’’(ω) en

función de ω en escala doblemente logarítmica, para sistemas que obedecen el modelo

de Debye. Se indica en la figura 2.2 los puntos máximos, que sirven para caracterizar y

calcular la forma de la curva de la constante dieléctrica.

τ

τ/

)(te

t−

=Φ

∫∫∞ +−

∞∞

∞−

∞∞ −+=Φ−+=0

)1

(

0

1)()()()(* dtedtet

it

Sti

S

ϖτϖ

τεεεεεεωε

221)('

τωεεεωε

+−+= ∞

∞S

ωττωεεωε −

+−= ∞

221)('' S

ωτεεεωε

iS

+−+= ∞

∞ 1)(*

∫∞

−∞∞ Φ−+=

0

)()()(* dtet tiS

ϖεεεωε


7

Log(ε)

ε’’(ω)

Log(ω)

ε’(ω)-ε∞

τ1

En la figura 2.2 se puede apreciar la disminución de ε'(ω) — ε∞ con la

frecuencia y la presencia de un máximo en ε''(ω) (pico de absorción) como

consecuencia de la relajación dipolar [6]. En la región próxima al máximo, centrado en

la frecuencia característica ω0 = 1/τ, es donde ε'(ω) sufre la máxima variación, lo cual

está de acuerdo con las predicciones de las relaciones de que el aumento de la

temperatura origina una disminución de la constante de tiempo τ, lo que produce a su

vez, un aumento de la frecuencia característica ω0. Se concluye, por tanto, que en los

sistemas que obedecen el modelo de Debye, el aumento de la temperatura produce,

entre otros efectos, un corrimiento en las curvas de ε'(ω) y ε''(ω) hacia la región de

frecuencias altas.

Fig. 2.2: Representación logarítmica ( ) ∞− ωωε ' y de ( )ωε ''

frente a la frecuencia.

2.5 Analogía eléctrica con el modelo de Debye:

El modelo de Debye Puede asociarse al circuito eléctrico que muestra la figura 2.3.

Fig. 2.3: Esquema eléctrico del modelo de Debye

En este circuito se ve claramente cómo la repuesta llamada de relajación, se

asocia rápidamente a la respuesta eléctrica de un circuito RC al que se le aplica una

tensión durante un tiempo mucho mayor a su constante de tiempo y luego los bornes a y

a b RS C


8

Circuito RC en Funcion de ωωωω

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 200 400 600 800 1000 1200

ωωωω [rad]

Am

plit

ud

Circuito RC en funcion del tiempo

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Tiempo [s]

Co

rrie

nte

[A]

b se unen. Realizando una gráfica de la parte real e imaginaria con ejes logarítmicos de

la respuesta en frecuencia del circuito se llega a la gráfica de la figura 2.5.

Para ilustrar mejor, tomemos como ejemplo el circuito de la figura 2.3 con

valores RS= 1kΩ y C=10µF con un escalón de tensión de 10V, la constante de tiempo

resulta τ=0,01s. En la figura 2.4 se presenta la gráfica de la corriente en función del

tiempo.

Fig 2.4 Corriente de descarga en el circuito RC de la figura 2.3 en función del tiempo

Si para este mismo circuito analizamos la respuesta en frecuencia y graficamos

su parte real e imaginaria tenemos la gráfica de la figura 2.5

Fig 2.5 Parte real e imaginaria de un circuito RC de la figura 2.3 en función de ω

Parte Real

Parte Imaginaria

[A]


9

Circuito RC en Funcion de ωωωω

1

10

100

1 10 100 1000 10000

ωωωω [rad]

Am

plit

ud

Si a la grafica de la figura 2.5 la re dibujamos con escala logarítmica en sus ejes

tenemos la gráfica de la figura 2.6

Fig 2.6 Parte real e imaginaria del circuito RC de la figura 2.3 en escala logarítmica

Como se puede notar en la gráfica de la figura 2.5, y con mejor detalle en la

gráfica de la figura 2.6, la intersección entre las curvas de parte real e imaginaria, se da

en ω=100, en

En la frecuencia f0 notamos que la curva de la parte imaginaria de la respuesta

del circuito tiene un pico.

2.6 Diagrama Circular:

Un método práctico para discernir si un dieléctrico se adapta o no al modelo de

Debye consiste en representar los valores de ε'' en función de los de ε' para cada una de

las frecuencias (diagrama de Argand en el ámbito eléctrico, conocido como diagrama

circular). Se obtiene así un círculo centrado en el eje ε', de acuerdo con las

características descritas en la figura 2.7. Matemáticamente, este resultado se puede

demostrar ya que el par de ecuaciones (2.9) cumple la ecuación de un círculo: ε"(ω)2 =

[εS - ε'(ω)][ε"(ω)-ε∞].

τ1

0 =f

Parte Real

Parte Imaginaria


10

Fig. 2.7 Diagrama de Argand para la parte real e imaginaria de la constante dieléctrica de un material dieléctrico que obedece al modelo de Debye. [1]

El diagrama de la figura 2.7 se denomina también representación de Cole-Cole y

es utilizado muy a menudo para comprobar la adaptación de los resultados

experimentales de ε' y ε" al modelo de Debye. También se utiliza para determinar,

mediante extrapolación, los valores de εS y ε∞ cuando se conocen los datos de ε' y ε" en

un intervalo amplio de frecuencia, siempre que el sistema obedezca el modelo de

Debye.

2.7 Influencia de múltiples tiempos de relajación:

El hecho de que la curva ε (ω) se separe a menudo del pico ideal predicho por el

modelo de Debye ha llevado a considerar la posibilidad de la existencia de múltiples

tiempos de relajación. Ello es debido a que cada uno de los dipolos presentes en una

molécula puede tener una interacción diferente con el resto de los átomos o moléculas

del material. Incluso en el caso de sustancias dieléctricas formadas por moléculas

simples, la no esfericidad de las moléculas puede dar lugar a que existan diferentes

tiempos de relajación.

Este aspecto se puede apreciar con ayuda del esquema de la figura 2.8, donde se

han representado dos posibles rotaciones de una molécula con forma elipsoidal. Es

evidente que, cuando la molécula gira en torno al eje b por acción del campo, está sujeta

a una fricción con el medio. El coeficiente de fricción en este caso será mayor que el

obtenido en el caso de que la molécula gire según el eje a. Lo cual, a su vez, da lugar a

que el tiempo de relajación en el proceso de orientación de la molécula, siguiendo las

variaciones del campo, sea diferente según el eje en que gire la molécula.


11

Fig. 2.8 Rotaciones posibles de una molécula elipsoidal

con dos ejes de simetría.

La función f(τ) tiene un tiempo de relajación comprendido entre τ у τ + dτ. Su

contribución dε*(ω), al valor total de la constante dieléctrica vendrá dado por:

(2.10)

El valor total de la constante dieléctrica se obtendrá sumando las diferentes

contribuciones para cada tiempo de relajación:

(2.11)

Donde τmax y τmIn son los valores límites para los diferentes tiempos de

relajación.

Fig. 2.9 Curva de absorción para un dieléctrico que muestre múltiples tiempos de

relajación.

En la figura 2.9 se ha representado cualitativamente la influencia de los

múltiples tiempos de relajación en la curva de ε''(ω), trazando los correspondientes

picos individuales de absorción, centrados cada uno de ellos a la frecuencia angular,

ωi=1/τi . La envolvente de estos picos es la curva de absorción de todo el conjunto. En

la práctica, los límites de integración de (2.11) se extienden de cero a infinito ya que se

entiende que fuera del intervalo (τmln, τ max) la función f (τ) es cero. La ecuación (2.11)

toma la forma:

ττϖτεεεϖε df

id S )(

1)(*

+−+= ∞

∞

τϖττεεεϖε

τ

τ

di

fS ∫ +

−+= ∞∞

max

min 1

)()()(*


12

(2.12)

Sin embargo, la dificultad de encontrar funciones f(τ) que, aún siendo válidas

para explicar los resultados experimentales, se adapten a una realidad física, hace que

este tratamiento sea aceptado con muchas reservas.

τϖττεεεϖε di

fS ∫

∞

∞∞ +−+=

0 1

)()()(*

Capitulo 3 Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos

13

Capítulo 3

Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos

En el siguiente capitulo se realiza un análisis de los posibles métodos de

medición y se describe la forma en la que se realizaba la medición dieléctrica antes de

plantear la automatización.

3.1 Análisis general para el estudio de dieléctricos [7]

El estudio de los fenómenos de relajación en un material se puede efectuar por

dos medios básicos: el dominio de tiempo y el dominio de frecuencia. En resolución

temporal lo que se hace es perturbar el sistema y observar su evolución al nuevo estado

de equilibrio. En cambio, en dominio de la frecuencia se mantiene una perturbación

sinusoidal constante de pequeña amplitud y se observa la respuesta del sistema. Para

todo sistema lineal, la respuesta a una señal sinusoidal es también sinusoidal; en virtud

de este hecho, el comportamiento del sistema en dominio de frecuencia se puede

analizar con la magnitud impedancia, que es la relación entrada/salida. En el caso de

medidas dieléctricas, se prefiere describir el comportamiento en frecuencia mediante la

permitividad compleja '''* εεε j+= , que expresa la misma información física que la

impedancia. La constante dieléctrica estática εS coincide con el valor de la parte real de

la permitividad compleja ε' cuando la frecuencia se hace muy baja, ω≈0. Sin embargo,

en contraste con el caso estático, el análisis en frecuencia de la permitividad permite

estudiar separadamente los fenómenos de relajación en el material.

Las medidas temporales y frecuenciales analizan los mismos fenómenos, y de

hecho es posible transportar los resultados de un dominio a otro mediante la

transformada de Fourier o de Laplace. Como se desprende del teorema del muestreo, es

posible ver un tiempo de medida como el inverso de la frecuencia de medida, por tanto,

una resolución experimental en una ventana de tiempos cortos corresponde a una

medida con frecuencias altas, y viceversa: tiempos largos corresponden a bajas

frecuencias, (se entiende por ventana de tiempos el intervalo de medida, definido por el

mínimo de tiempo medible, según la rapidez de detección del sistema y el máximo de

tiempo que vamos a mantener la medición).

Sin embargo, los métodos de análisis de resultados son diferentes en cada

dominio. Cuando se trata de separar diversos fenómenos de relajación presentes en el


14

sistema para analizar sus características individuales, el estudio en dominio de

frecuencia es indudablemente muy superior. En la figura 2.6 se muestran las principales

características de la permitividad compleja, en función de la frecuencia, cuando existe

un único proceso de relajación. Se aprecian los comportamientos diferentes de la parte

real ε' y la parte imaginaria ε'' de la permitividad. La propiedad central de la relajación

es la existencia de una frecuencia de relajación (en el ejemplo f0 = 1/τ Hz) en la cual ε''

presenta un pico, denominado “de pérdidas”. Esta frecuencia de relajación es el valor

inverso del tiempo característico de relajación introducido más arriba. Por otra parte la

magnitud ε', efectúa una transición entre el valor de baja frecuencia ε(0) y el valor de

alta frecuencia e(∞).

La característica más notable, universalmente observada en los fenómenos de

relajación, es que el decrecimiento de la parte real de la permitividad ε', ocurre en la

región donde el pico de pérdidas toma valores apreciables, en un intervalo de unas 3

décadas de frecuencia para una relajación ideal según el modelo de Debye. El pico de

pérdidas señala la existencia de la relajación. Si medimos en un intervalo de frecuencias

superiores a la frecuencia característica de relajación del mecanismo f0, dicho

mecanismo ya no contribuye a la parte real de la permitividad. Físicamente, ocurre que

la frecuencia del estímulo de medición es demasiado alta como para que los dipolos

puedan seguir las oscilaciones del campo eléctrico aplicado y, por lo tanto, dichos

dipolos no participan en la polarización del sistema.

3.2 Estudio de glucosa en estado de vitrificación: [2]

Las propiedades moleculares de las glucosas vitrificadas dependen de su proceso

de formación y el tiempo transcurrido desde su origen (envejecimiento).

Entre los métodos experimentales para estudiar la dinámica de las glucosas

vitrificadas, la relajación dieléctrica es uno de los más frecuentemente citados en la

literatura, en la mayoría de los resultados reportados se refieren a temperaturas en que

los vidrios están súper fríos o en estado líquido. Son pocos los datos que existen para

vidrios que se encuentran por debajo de la temperatura de transición vítrea; temperatura

esencial para poder seguir el proceso de envejecimiento.

En los vidrios la relajación molecular es un proceso que suele ser largo y posee

varias constantes de tiempo τ distintas. Es necesario definir claramente el tiempo de

relajación, ya sea para tener la cobertura de frecuencia de banda ancha o para ajustar

tiempos suficientemente grandes, de lo contrario la relajación es incompleta e impide

una determinación precisa del tiempo total de relajación.


15

3.2.1 Métodos de estudio

Como ya se dijo en 3.1 para el estudio de la glucosa en estado de vitrificación se

utilizan dos métodos: uno en el dominio de la frecuencia y otro en el dominio del

tiempo.

3.2.1.1 En el dominio de la frecuencia:

En el dominio de la frecuencia existen a su vez dos métodos, uno, es el que se

utiliza una frecuencia por vez, y otro en el que se utiliza un grupo de frecuencias

preestablecidas.

• Utilizando una frecuencia por vez:

Este método consiste en aplicar una señal de una única frecuencia y analizar los

resultados obtenidos como respuesta del sistema en estudio. Luego repetir este proceso

tantas veces como frecuencias de excitación se deseen estudiar.

Una medición fiable en el dominio de la frecuencia requiere de un estado de

equilibrio del sistema, lo que significa que hay que esperar bastante después de que la

frecuencia está establecida. Si bien el instrumento da una respuesta lo suficientemente

rápida como para lograr la estabilidad después de un ciclo, el retraso de las propiedades

del material es mucho más lento en el logro de equilibrio después de un impulso

transitorio. Una "regla de oro" sugiere un tiempo de espera de una decena de ciclos

antes de las mediciones.

Para frecuencias muy bajas se trata de un procedimiento que insume tiempo. De

hecho, asumiendo una relajación del orden de 10-3 Hz, una medida requiere un tiempo

de aproximadamente 30 días, incluso si sólo se inserta un ciclo entre cada medición.

Aún sin tener en cuenta que este tiempo de relajación puede ser demasiado corto para

moléculas vitrificadas.

• Utilizando un grupo de frecuentas preestablecidas:

Este método consiste en generar una señal que contenga a todo el conjunto de

frecuencias en las que se desea estudiar y aplicarlo al sistema. La respuesta de este, si es

lineal, será el conjunto de respuestas de todas las frecuencias en estudio.

En el estudio que se realiza sobre la glucosa en el estado de vitrificación, no está

determinado aún si esta se comporta de forma lineal o no. Por esta razón, este método

todavía no tiene mucha viabilidad para ser utilizado

3.2.1.2 En el dominio del tiempo:

Este método consiste en aplicar un escalón de tensión y luego registrar la


16

corriente que se produce por la relajación molecular.

Para esto se aplica un determinado nivel de tensión, durante el tiempo en que se

estima necesario para llegar al estado de equilibrio molecular. Una vez transcurrido este

tiempo se pone el nivel de tensión en cero de forma abrupta (escalón), y se registra la

corriente que se genera producto de la relajación molecular.

3.3 Análisis para el desarrollo práctico

En este trabajo se decidió utilizar el método en el dominio del tiempo. Por lo

expuesto en 3.2.1.

Para empezar a resolver los aspectos prácticos y definir las características del

sistema de medida se redujo la complejidad del mismo. Para esto se hicieron algunas

suposiciones básicas.

Se comenzó por suponer que la sustancia en estudio tiene sólo una constante de

tiempo τ en lugar de varias como se mencionó anteriormente. Que el elemento a

estudiar tenga una o más constantes de tiempo no genera grandes modificaciones en

cuanto a la forma de la señal que es respuesta de la excitación aplicada, ambas son

curvas monótonamente decrecientes, sólo varía la forma de decaimiento. Podemos

suponer que la respuesta que se obtiene obedece a una ley exponencial como la

siguiente:

(3.1)

Donde Φ(t) está ligado directamente a la constante de tiempo τ, esta expresión es

similar a la respuesta de un circuito RC a una perturbación en forma de escalón de

tensión.

Como se mostró en el capítulo 3, para la obtención de la constante dieléctrica

'''* εεε j+= se puede partir de la corriente de desplazamiento Jd. Dicha corriente puede

asociarse a la corriente de descarga del circuito.

Para medir la característica dieléctrica de la glucosa vitrificada se procede de la

misma forma que con otros compuestos mencionados. Se le aplica el campo E a una

celda con glucosa, polarizando con el campo a las moléculas que la componen. Una vez

que se ha alcanzado el estado permanente, se cambia el circuito eléctrico de tal forma

que las cargas acumuladas puedan reacomodarse, dejando libres a las moléculas para

que puedan reacomodarse en su proceso de relajación.

τ

τ/

)(te

t−

=Φ


17

Se procede a la elaboración, mediante muestras, de la curva de la figura 2.4 de

donde se obtienen los parámetros con los que se trabajará posteriormente.

La celda con glucosa se asemeja eléctricamente a la carga y descarga de un

capacitor con un modelo de Debye que se muestra la figura 3.1

Fig 3.1 Modelo de Debye de un capacitor

Donde R1 está relacionado con las pérdidas del electrolito, R3 es debida a las

pérdidas que se producen en el dieléctrico, mientras que R2 se debe a las resistencias de

las conexiones y C es un capacitor ideal.

No se pretende encontrar los valores de cada uno de los elementos del circuito,

sino que este es simplemente un referente eléctrico.

En el caso de que se quisiera trabajar sin la suposición de que existe una sola

constante de tiempo τ se tendría que utilizar un modelo de capacitor construido con

varios modelos similares al de la figura 2.3 conectados en paralelo. De esta forma, la

cantidad de constantes de tiempo sería la cantidad de modelos en paralelo que se

conectaron.

3.4 Historial del trabajo realizado previamente en el IFLySiB

Para la medición los investigadores el IFYSIB usaban el método temporal. Para

esto utilizaban el circuito que muestra la figura 3.2.

Fig 3.2 Circuito de medición

Donde la fuente de tensión es un variac, con un rectificador y filtro, que entrega

Fuente de Tensión Continua

Celda con glucosa

S

A 2

1

a b R1 C R2

R3


18

una tensión continua de entre 0 a 250V.

El amperímetro marca KEITHLEY 175 “Autoranging Multimeter”.

Para realizar la medición se seguían los siguientes pasos:

• Con la llave S en la posición 1 durante un tiempo de aproximadamente 2

horas; tiempo en el que, se calcula, la celda alcanza su estado estacionario, con una

tensión de la fuente de entre 40 y 60V.

• Luego de este tiempo colocaban la llave S en la posición 2, momento en que

comenzaba la medición.

• A medida que los valores obtenidos se iban haciendo cada vez más pequeños,

cambiaban la escala del instrumento, mejorando así la sensibilidad de la medida.

• El rango registrado comenzaba en los µA y era posible medir hasta los nA, la

forma en que se tomaban las muestras era: las primeras 4 horas cada 5 o 10 minutos;

luego, durante las 6 horas siguientes, cada 40 o 50 minutos; y por último, cada 4 o 5

horas, hasta que se dé por concluido el experimento.

Con esta metodología hicieron numerosos registros, pero la forma de efectuarlos

era muy rudimentaria. Los registros resultaban dificultosos de realizar y para poder

analizarlos es necesario que las muestras estén espaciadas en intervalos iguales, para

poder hacer esto realizaban interpolaciones y la mejor forma de ejecutarla fue

utilizando una PC. Inevitablemente, esto llevaba a pasar todos los valores registrados a

una computadora, con la posibilidad de pérdida o confusión de los mismos.

En el primer intento de automatización comenzaron a usar un conversor

analógico a digital (A/D) para PC. Este tipo de conversores trabaja convirtiendo

tensiones, no corrientes. Se debe a que la corriente es una variable de tránsito, y para

poder medirla es necesario interferir en el circuito con lo que se perturba a la variable a

medir generando errores en la medida. Por el contrario, la tensión es una variable de

salto y su medición interviene en forma no tan destructiva como la medición de

corriente.

Para poder usar el conversor A/D, construyeron conversores corriente-tensión de

distintos valores de conversión, estos se intercalaba entre la celda y la placa adquisidora

(como se muestra en la figura 3.3). Se reemplazó así al amperímetro que utilizaban

hasta el momento. Para poder tomar valores que conserven la misma precisión durante

todo el experimento se iban intercalando los distintos conversores.

Para conectar cada uno de estos conversores debían prestar atención a los

valores que se registraban, de esta forma se podía saber cuándo cambiar el conversor.

Ese cambio del conversor implicaba la pérdida de valores en el momento del cambio,


19

esta pérdida obligaba a la interpolación de valores en la zona de la curva afectada por el

cambio y la cantidad de muestras perdidas dependían de la habilidad del operario.

Con esta configuración se realizaron varias mediciones, con intervalos de

tiempos fijos y los datos se podían procesar directamente en la PC sin tener que

transcribirlos en forma manual.

Cuando las corrientes convertidas comenzaban a ser del orden de los cientos de

nanoamperes, la placa adquisidora interfería con ruido en los conversores generando

ruido en la conversión de analógico a digital, registrando así valores erróneos en el

registro.

Esto los llevo a hacer parte de las mediciones con la placa adquisidora y luego,

continuaban midiendo las tensiones con un voltímetro digital y tomando las muestras de

forma manual; posteriormente las pasaban a PC para realizar el análisis matemático de

las muestras obtenidas.

Figura 3.3 Primer esquema de automatización

Fuente de Tensión

Celda con glucosa

Conversor Corriente/Tensión PC con Conversor

A/D

Capitulo 4 Análisis de Automatización

20

Capítulo 4

Análisis de Automatización

Antes de comenzar con el diseño, se establecieron los rangos de corrientes y

tiempos a medir. Estos se acordaron con los encargados del experimento, la idea general

es poder medir desde los miliamperes [mA] hasta la corriente más chica que se pueda.

En el aspecto práctico se puso como límite inferior aproximado el orden de la decena de

nanoamperes [nA].

Se debe buscar un circuito capaz de abarcar todo el rango de corrientes. Se

prefiere que el circuito elegido sea simple de tal forma que cuando sea puesto en

práctica no genere imprevistos técnicos y el montaje no requiera maquinaciones

especiales.

En toda medición es deseable que el error sea nulo, esto es imposible desde el

punto de vista práctico. Fue establecido como límite deseable que el sistema de medida

en su conjunto no supere el 5% de error en los valores resultantes.

Se estableció que el intervalo de tiempo entre muestras sea del orden de 1

segundo y que este valor sea constante durante toda la medición. La duración de la

medición no esta establecida, si bien se estableció que como mínimo se pueda medir

durante dos semanas, por lo que la cantidad de muestras ronda en el millón de valores

4.1 Primera aproximación

Se puede comenzar un análisis de automatización con el circuito de la figura 3.2

y analizar el procedimiento con el que se realizan la medición. Esta medida se realiza

con un voltímetro y varios conversores corriente tensión. A medida que los valores

obtenidos se van haciendo cada vez más pequeños, se cambia el conversor corriente

tensión, mejorando la sensibilidad de la medida.

Pensando en términos de automatización, se debería conseguir que la mejora de

la sensibilidad sea comandada por el propio equipo, en función de los valores de

corriente que vaya tomando.

Se consensuó con los investigadores el esquema que muestra la figura 4.1


21

Fig 4.1 Esquema Básico

4.2 Características generales

Se puede comenzar a esbozar un equipo que tenga como base el esquema de la

figura 4.1. Las tres partes principales del sistema de automatización serían: la de

medición, la llave y el control. Con las siguientes características:

• La llave que conmuta entre la carga de la celda con glucosa, o la descarga, está

comandada por el bloque de control. Como lo que se pretende medir son

corrientes pequeñas (desde los µA a los nA), esta llave no debe introducir

perturbaciones en la señal, si lo hace deben ser momentáneas (un tiempo

menor a 10 veces menor al tiempo entre muestras), se preferiría que sea

aislada del mando de apertura y cierre, que su impedancia sea baja y que no

cambie con factores externos.

• El circuito de medición tendría que tener las siguientes características:

o Que el error de inserción que se genere sea mínimo, se debe tratar de no

perturbar al sistema en estudio para que las medidas sean lo mas

fidedignas posibles.

o Se encargaría de adaptar la señal a medir (amplificarla, filtrarla, o lo que

sea necesario para cuantificarla con el menor error posible).

o Hacer la medición. El circuito debe tener en cuenta que la sensibilidad

con la que se toma cada valor debe mantenerse constante, con lo que

debe contemplarse la posibilidad de cambios de escalas o lo necesario

para que esto se cumpla.

Fuente de Tensión Continua

Celda con glucosa

Circuito automatizado de

medición

Circuito de

Control

Software PC

Llave


22

o Debe trabajar conjuntamente con el circuito de control, para generar de

alguna manera el registro final, y coordinar la toma de valores con la

llave.

• El Circuito de control debe:

o Coordinar las acciones de la llave con las del circuito de medida,

conmutando la llave y dando la orden de adquirir o no al circuito de

medida.

o Recolectar los datos del circuito de medida y generar un registro con

todos los datos recolectados.

o Entregar los datos del experimento de forma clara y simple de ser

capturada con programas como Microsoft Excel u Origin.

• El software de la PC deberá recibir los datos provenientes del equipo y crear el

registro correspondiente, para que luego pueda ser procesado con el programa

que mejor se ajuste al análisis que se quiera hacer.

Capitulo 5 Análisis de Bloques. 23

Capítulo 5

Análisis de Bloques: La llave

En el siguiente capitulo se realiza un estudio sobre posibles formas de implementar el

bloque que funcional denominado llave, que fue planteado anteriormente en el capitulo 4. Se

estudian algunas posibles formas y luego se decide por una.

La llave es: un elemento importante en el circuito debido a que la corriente es un

parámetro de paso y no de salto como lo es la tensión. Esto hace que se deba intercalar el

elemento llave en el circuito sin interferir en el circuito a medir.

Existen diversos tipos de llaves que se pueden usar. En este capítulo se analizan

algunas, y se elegirá la que mejor se adapte al proyecto.

5.1 Llaves de estado sólido:

Están construidas con dispositivos semiconductores, pueden trabajar con señales

analógicas, existen llaves bidireccionales controladas digitalmente.

Usan transistores de silicio con tecnología CMOS, tienen una baja resistencia de

conducción y bajas pérdidas, estas llaves bidireccionales y analógicas, existen de diferentes

tensiones, pero se destacan las que están en el uso de señales que no superan 12V de cresta,

como las señales que se utilizan en la telefonía analógica.

Las entradas de control son digitales.

Un esquema muy común para este tipo de llaves es el que muestra la figura 5.1

Fig. 5.1 Circuito de una llave bidireccional de estado sólido


En la figura 5.2 se muestra el circuito integrado MC14066 [1] este es un conjunto de 4

llaves analógicas, controladas por cuatro entradas digitales independientes entre si, es usado

como llave o multiplexor de señales analógicas.

Fig. 5.2 Circuito integrado MC14066

El control de este integrado se realiza como muestra la figura 5.3

Fig. 5.3 Control Lógico del circuito integrado MC14066

Como desventaja, este tipo de dispositivo está construido con silicio, y este presenta

una resistencia variable con la tensión con la que se alimenta al circuito, tal como muestra la

figura 5.4.

Fig. 5.4 Resistencia de paso “RON” en función de la tensión de alimentación y la temperatura


Esta llave debe ir entre la celda y el circuito de medición, y si presenta factores que

varían con la tensión de alimentación u otro parámetro, se generarían errores no sistemáticos

y, por lo tanto, no desafectables de la medida. Por otro lado, no figura en las hojas de datos

información acerca de cuál es la corriente mínima que puede atravesar la llave, sin que esta

sea perturbada de alguna forma.

Por estas razones el uso de este tipo de llave no es conveniente.

5.2 Relé:

El relé es un dispositivo electromecánico que funciona como un interruptor. Se basa

en un circuito electromagnético que acciona un juego de uno o varios contactos que permiten

abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Tal como muestra la figura 5.5 y 5.6.

Se denominan contactos a aquellos que se cierran o abren según si la bobina del relé

es alimentada o no. De este modo, los contactos de un relé pueden ser normalmente abiertos

(NA) o normalmente cerrados (NC).

Los contactos NC se abren cuando el relé es activado; y se cierra cuando el relé es

desactivado.

Existen distintos modelos de relés. Las características técnicas con las que se los

puede clasificar son:

• Parte electromagnética:

- Corriente de excitación: Se denomina así a la corriente necesaria para activar

el relé.

- Tensión nominal. Tensión de trabajo para la cual el relé se activa.

- Tensión de trabajo. Margen entre la tensión mínima y máxima, lo que

garantiza el funcionamiento correcto del dispositivo.

- Potencia nominal de la bobina: es la energía por unidad de tiempo de la bobina

cuando el relé está excitado con la tensión nominal a

20ºC.

• Contactos o parte mecánica:

- Tensión de conexión: tensión entre contactos antes de cerrar o después de

abrir.

- Corriente de conexión: intensidad de corriente máxima en los contactos del

relé cuando este se conecta o desconecta.

- Corriente máxima de trabajo: intensidad de la corriente máxima en los


contactos cuando se han cerrado.

- Cantidad de contactos: es la cantidad de llaves independientes que se

conmutan.

Fig. 5.5 Esquema en plano de un relé

Fig. 5.6 Esquema de funcionamiento de un Relé en 3D

Los materiales con los que se fabrican los contactos son: plata y aleaciones de plata

que pueden estar hechas con cobre, níquel u óxido de cadmio. El uso del material que se elija

en su fabricación dependerá de su aplicación y de la vida útil necesaria de los mismos.

Debido a que los contactos son metálicos, su resistencia eléctrica de conexión es

mínima, al igual que su variación con la temperatura. Al estar aislada la parte

electromagnética de la parte de contactos, el control no interfiere sobre la señal que se

conecta.

Al trabajar de forma mecánica, tiene un tiempo de activación, también tiene lo que se

denominan rebotes, esto es: una vez que el comando se activa la parte mecánica cierra, abre y

vuelve a cerrar, hasta quedar cerrado. De acuerdo al relé, el tiempo de cierre total puede


oscilar entre los 5 a 10 ms. Como se menciono en el capitulo 4 el tiempo entre muestra y

muestra será de 1 s, por lo que 10 ms no es un tiempo de peso. Por esta razón la perturbación

de 10 ms no la consideramos importante.

Las características eléctricas que posee el relé, una vez cerrado, superan a las

características de las llaves de estado sólido y lo hacen apropiado para utilizarlo en este caso.

El relé que se ha elegido es el que se muestra en la figura 5.7 sus características son:

Fig. 5.7 Relé elegido

Parte electromagnética

Corriente de excitación 15 mA

Tensión nominal 5V

Tensión de trabajo: entre 3V y 8V

Potencia nominal de la bobina 55 mW

Contactos o parte mecánica

Tensión de conexión 700V

Corriente de conexión 2A

Corriente máxima de trabajo 3A

Cantidad de contactos 2 pares de contactos

Vida Mecánica 15x106 Operaciones

Capitulo 6 Análisis de Bloques: Circuito de medida 28

Capítulo 6

Análisis de Bloque: Circuito de medida

En el presente capitulo se efectúa un estudio sobre las posibles formas de implementar

el bloque encargado de realizar la medición, planteado oportunamente en el capitulo 4.

6.1 Rangos:

Como se menciono en el capitulo 4, se pretenden medir corrientes desde el orden de

los mA hasta los 100nA. El tiempo entre muestras es de 1 s. También se prefiere que el

circuito de medición sea, de los posibles, el más simple de desarrollar.

6.2 Posibles circuitos de adaptación de la señal.

Para poder medir una corriente de forma simple, se la puede convertir en tensión. Ya

que este parámetro es mas sencillo de medir. Esto se debe a que no hay que intercalar ningún

elemento en el circuito. Existen diversas formas de convertir la señal de corriente en señal de

tensión.

6.2.1 Circuito basado en un opto acoplador:

El opto acoplador es un circuito integrado que se compone básicamente de un diodo

emisor de luz (diodo LED) y un foto transistor, tal como lo muestra la figura 6.1

Con una corriente por los terminales del diodo LED, este emite un haz de rayos

infrarrojo que transmite a través de una pequeña guía de ondas de plástico o cristal hacia el

fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere

nuevamente una corriente eléctrica a su salida IS.

Un parámetro importante en los opto acopladores es la eficiencia, este parámetro

define el valor de corriente que se necesita en el LED para obtener la salida deseada. En opto

transistores esto se llama Razón de Transferencia de Corriente (CTR), esto se obtiene

Fig. 6.1 Circuito con opto acoplador

If

Opto acoplador

IS


CT

R N

orm

aliz

ado

TA Temperatura ambiente (°C)

simplemente dividiendo la corriente de salida por la corriente de entrada requerida.

La razón de transferencia de corriente CTR es un parámetro equivalente a la ganancia

de corriente de un transistor. La CTR es una de las características más importantes de los

opto-acopladores, así como el aislamiento de tensión. En el diseño el CTR debe ser

considerado en primer lugar, pues el CTR:

• Es dependiente de la corriente directa If en el LED.

La razón de transferencia de corriente (CTR) depende de la magnitud de la

corriente directa (If). Cuando If es baja, o es más alta que una cierta magnitud, el

CTR se hace más pequeño.

• Es afectado por los cambios en la temperatura ambiente.

La característica CTR-Temperatura se ve muy afectada por las características de

eficiencia en la transmisión del LED y del hFE del fototransistor, debido a que la

eficiencia en la transmisión de luz tiene un coeficiente negativo de temperatura y

el HFE un coeficiente positivo.

• Varía conforme el tiempo pasa.

La razón de transferencia de corriente (CTR) está determinada por la eficiencia

del LED como emisor de luz, la eficiencia en la transmisión de luz entre el LED y

el fototransistor, la sensibilidad a la luz del fototransistor y el hFE del transistor. El

cambio del CTR, debido al tiempo principalmente, es causado por la reducción en

la eficiencia en la transmisión de luz del LED. También la degradación es mayor

conforme (CTR se reduce) la corriente directa del LED aumenta y cuando la

temperatura de operación aumenta.

Fig. 6.2 CTR vs. Temperatura, tomado de la hoja característica


La principal desventaja, además de las ya mencionadas, es que la corriente por el LED

tiene que ser del orden de los 500 µA, en adelante, esto limita severamente las pretensiones

iniciales planteadas en 6.1, y esto hace que el circuito sea descartado.

6.2.2 Circuito Basado en la medición del campo magnético generado por la

corriente: [21]

Este circuito, como muestra la figura 6.3a, propone el uso de un sensor de campo

magnético.

Mediante el uso de una ferrita en forma toroidal con un gap de aire.

En la ferrite se bobina un conductor con N vueltas, y en el gap de aire se coloca un

sensor de efecto hall que sensa el campo magnético B que se produce en el toroide por la

corriente I a través del bobinado. En el circuito se muestra la grafica de la figura 6.3b.

El valor de NxI/B en una ferrita comercial con un gap apto para el un sensor de efecto

hall se puede obtener de la grafica 6.3.

NI/B vs gap de aire

NI/B

[A v

uelta

s/ G

auss

]

Gap de aire en pulgadas

Figura 6.3 NI/B vs gap de aire en distintas ferritas


Para estimar la tensión de salida del sensor comenzamos planteando el valor de

que se puede obtener ronda los:

(6.1)

La tensión de salida del sensor (U0) viene dada por 6.2:

(6.2)

Donde K es la sensibilidad del sensor que se elija. Reemplazando B de 6.1 en 6.2 y

despejando U0 nos queda:

(6.3)

Algunos sensores analizados (como el UGN3503 o el FHS 40) no superan los

5mV/Gauss, por este motivo para medir una corriente en el orden de los 100nA es necesario

que la cantidad de vueltas este en el orden del millón.

Fig. 6.3a Toroide con sensor de efecto Hall Fig. 6.3b Respuesta del sensor de efecto Hall

Este método resulta inviable por la gran cantidad de vueltas sobre el toroide que se

necesitan para medir corrientes pequeñas (en el orden de los 100 nA).

BKU *0 =

=Gauss

vueltaA

B

NI2,0

B

NI

2.0

**0

KINU =


6.2.3 Convertidor de Corriente tiempo (2)[10]:

Se puede emplear un convertidor corriente tiempo como el de la Figura 6.4.

La corriente va cargando el capacitor C hasta que la salida del integrador alcanza el

umbral de conmutación del detector de nivel; este conmuta entonces su salida. El

monoestable da un impulso de duración fija y los dos interruptores se cierran para descargar

rápidamente al capacitor. En cuanto se alcanza el umbral de conmutación bajo, el detector de

nivel pasa de nuevo al estado bajo, se abren los interruptores y empieza de nuevo la

integración. La velocidad de carga depende de la intensidad de la corriente, y si el tiempo de

descarga es suficientemente breve respecto al tiempo de integración, el tiempo de los

impulsos de salida será proporcional a la corriente de entrada.

Fig. 6.4 Estructura básica de un convertidor corriente en pulsos

Recordando que:

[6.7]

Si la corriente es constante, la integral es un rampa, en el caso de estudio la corriente

no es constante, es cuasi-exponencial decreciente, pero al ser su constante de tiempo tan

grande, en intervalos de tiempos cortos puede tomarse como constante; con lo que el circuito

que resulta es un convertidor de corriente a tensión.

[6.8]

[6.9]

[6.10]

Una vez que esta rampa supere un determinado umbral donde se genera un pulso de

ancho fijo, se cierran los interruptores, descargando al capacitor. La medida de corriente está

dada por el ancho en cero de los pulsos como muestra la figura 6.5.

∫−=t

t dtiC

U0

)(

1

∫−=t

dtIC

U0

1

C

tIU −=

UmbralC Ut

I=


Valor de tensión umbral

Tiempo fijo en el que se descarga el capacitor

Tiempo t en el que se carga el capacitor depende de i(t) y C

Siendo C el valor del capacitor, se trata de una i(t) mas grande que la de 1 y 2

Siendo C el valor del capacitor, y una i(t)

Carga del capacitor con una corriente constante

3 2 1

Fig. 6.5 Generación de los pulsos según corrientes y capacidades

La ganancia con la que se pueden medir corrientes pequeñas está dada por el valor de

la capacitancia. Esta define el tiempo en que la rampa llega al umbral, si es más pequeño,

hace que una corriente grande la cargue de forma más rápida que una corriente más pequeña.

Los cambios de ganancia se pueden hacer cambiando los valores de capacitancia. Para

definir estos valores hay que hacer los cálculos y tomar decisiones de compromiso, entre los

tiempos que se pueden medir, el valor umbral que se tome y los valores de capacitancia que

se dispongan.

El factor analógico que se debe cuantizar es un valor temporal y la señal de salida

tiene forma de pulsos digitales.

Existe un valor mínimo de capacidad y es el valor parasito que puede llegar a existir

entre los conductores de la placa, podemos considerar que este valor puede llegar a ser como

máximo de 50pF. Esta capacidad parasita nos genera un tiempo mínimo de salida. Si

consideramos que se quisiera medir 100nA, y usáramos una tensión umbral de 3V este

tiempo seria:

Este valor mínimo de tiempo es ciertamente incierto, porque no se conoce el valor de

mspA

VpFt 5,2

100

350 =−=


U0

R

Corriente de la celda a medir

Tensión de salida en función de la corriente de entrada

U-

capacidad parasita que se va a tener, lo que sabemos es que nos va a condicionar un valor de

tiempo mínimo de error dado por la capacidad parasita, y esta depende fuertemente de la

geometría con la que se realice el circuito impreso, a su vez esta capacidad no varia

linealmente con la temperatura, y solo algunos fabricantes proveen esta información.

Por otro lado, también se debe contar con una llave de relativa velocidad, si se

pretende descargar el capacitor entre muestra y muestra. Esta llave no puede ser mecánica

debido a que la cantidad de muestras que se pretenden tomar es similar al tiempo de vida de

este tipo de llaves. Si esta llave es integrada, se debe tener en cuenta que la tensión del

capacitor que se use debe llegar a cero, y seria deseable que el comando de la llave este

aislado eléctricamente de la corriente a medir.

Con lo expresado hasta aquí queda claro que si se desea utilizar este circuito se suman

muchos mas elementos a tener en cuenta a la hora de llevar la parte de adquisición analógica

a la practica. Por esta razón se decidió seguir analizando otros circuitos para realizar la

medición de la corriente.

6.2.4 Circuito Convertidor Corriente Tensión (3):

Este circuito, al igual que el circuito mencionado en 6.2.3, utiliza un amplificador

operacional como elemento principal de su funcionamiento, como se aprecia en la figura 6.6.

Fig. 6.6 Esquema básico de un convertidor Corriente Tensión

El factor de conversión del circuito viene dado por el valor de la resistencia. Esto se

explica de la siguiente forma:

Suponiendo que en el nodo U- la corriente no se divide y continúa por R, en este caso

USALIDA es igual a:

(6.11)

Como se desprende de 6.11 el factor de conversión depende únicamente de R.

IRU SALIDA −=


U0

R4 R3 R2 R1

Corriente de la celda

U-

L1 L3 L2 L4

Llaves para el cambio de Ganancia

R5

A diferencia del esquema planteado en 6.2.3 el tiempo en que se toma el valor de

corriente no depende de la corriente a medir.

Al usarse valores de resistencias grandes, en del orden de los 10 MΩ, para medir

corrientes pequeñas hace que las resistencias que puedan aparecer en el circuito de manera

involuntaria sean despreciables y no necesiten tenerse en cuenta pequeños detalles en el

diseño del circuito impreso.

El uso de este tipo de conversor en las primeras mediciones que se realizaron en el

IFLYSIB en comparación de los valores obtenidos con un amperímetro (KEITHLEY 175),

dieron menores al 5%.

Se decidió utilizar este esquema, aunque todavía no se analizaron algunos aspectos

como:

- Generar cambios de ganancia.

- El rechazo a perturbaciones.

- La forma de digitalizar la señal.

- Impedancia intercalada en el circuito de medición.

6.3 Detalles del convertidor de señal elegido:

Una vez tomada la decisión de utilizar el esquema de la figura 6.6 como base para las

mediciones, se ultimaron detalles para que este circuito fuera funcional al sistema de medida.

Se comenzó por establecer cómo se realizaría el cambio en el factor de conversión.

Una forma simple de realizar este cambio es el esquema que muestra la figura 6.7

Fig. 6.7 Esquema de cambio de factor


U0

R1


U-

L1 Medición y comando de llaves

Las llaves L1 a L4 deben tener una resistencia de valor “cero” cuando estén cerradas,

e “infinito” cuando estén abiertas. De esta forma cada llave en paralelo con cada resistencia

va a generar un valor resistivo de cero, con la llave cerrada, o equivalente a la resistencia

cuando la llave esté abierta. Comandando adecuadamente las llaves se pueden generar los

distintos factores de conversión.

El comando de cada llave tiene que ser realizado teniendo en cuenta el valor de la

última corriente medida para mantener la sensibilidad. Por lo tanto, las llaves tienen que ser

comandadas por algún elemento que pueda realizar esta tarea.

La forma de implementar las llaves puede ser distinta.

6.3.1 Utilización de un transistor MOSFET

Como se ve en el circuito de la figura 6.8 se puede hacer una llave colocando un

transistor MOSFET en paralelo con la resistencia, cuando el transistor se encuentra en

conducción, la resistencia está en cortocircuito.

Fig. 6.8 Implementación de la ganancia con mosfet

El circuito de la figura 6.8 tiene como desventaja que un transistor MOSFET no

garantiza una resistencia cero entre “source” y “drain”; existe entre estos terminales una

resistencia denominada RON distinta de cero.

Por otro lado, usar este tipo de dispositivo no produce la aislación de la corriente a

medir del control realizado. Por esta razón, se descartó este circuito.

6.3.2 Utilización de un reed relé:

El reed relé consiste en un par de contactos metálicos. Al acercarse a un campo

magnético, los contactos se unen cerrando un circuito eléctrico. La elasticidad de los


U0

R1


U-

L1

Medición y comando de llaves

contactos hará que se separen al desaparecer el campo magnético. Para asegurar la

durabilidad, la punta de los contactos tiene un baño de un metal precioso. En la figura 6.9a,

se muestra el esquema de un reed relé en tubo de vidrio, mientras que el que se usó es de

encapsulado monolítico como el que muestra la figura 6.9b.

Fig. 6.9a Reed relé en una capsula de vidrio Fig. 6.9b Reed relé en un encapsulado monolítico

El circuito sería el de la figura 6.10. De esta forma, el circuito que mide y realiza el

comando de la llave estaría aislado del factor de ganancia y, lo más significativo de esta

metodología, es que cuando la llave esté cerrada la resistencia que se ve en bornes del

operacional va a ser estrictamente la de dos contactos metálicos cerrados.

Al ser dos contactos metálicos que se cierran existe un rebote similar al de los relés

(del capitulo 5), pero el tiempo total de cierre, en este caso, es menor y ronda entre los 2 y 5

ms, menor que el tiempo entre muestras, 1 s.

El cambio de ganancia se realiza de acuerdo a la última medida tomada. Al ser una

corriente monótonamente decreciente se va a producir la activación de cada ganancia solo

una vez por medición y en forma consecutiva.

Fig. 6.10 Circuito de cambio de ganancia con reed relé


Quedan por definir los valores de cada resistencia, esto va a estar relacionado con la

salida que se desee tener en el amplificador operacional y la entrada del circuito de

conversión analógica digital.

6.4 Conversión A/D de la señal:

La señal ya de tensión debe ser digitalizada para poder almacenarse. La forma en que

se digitaliza se postergará para el capítulo 7 y formará parte del módulo de control, este

módulo también va a permitir realizar los cambios de ganancia.

Capitulo 7 Modulo de Control Pág. 39

Comando de ganancias

Digitalización de la medida

Control de carga o

medición

Comunicación con la PC

Modulo de Control

PC

Fuente de tensión continua

U-

Circuito de cambio de ganancias

Celda

Llave de carga o medición

U

Capítulo 7

Módulo de control

En este capitulo se desarrolla el modulo encargado de digitalizar la señal, transmitirla

a la PC, comandar los valores de ganancia (de acuerdo al valor de corriente digitalizado) y

comandar el comienzo y fin de la medición.

Un esquema de lo planteado sería el que se muestra la figura 7.1

Fig. 7.1 Detalle del modulo de control


7.1 Forma de realizar el control (4):

No existe un integrado que realice todas estas acciones. Por tanto, se planteo la

utilización de un dispositivo programable, al que se le pudieran asignar todas estas tareas.

Se decidió utilizar un microcontrolador. Éste es un circuito integrado o chip que

incluye en su interior las cuatro unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria,

Unidades de E/S y Periféricos.

Un microcontrolador típico tiene un generador de reloj integrado y una pequeña

cantidad de memoria RAM (cientos de bytes) y ROM/EPROM/EEPROM/FLASH. Para

hacerlo funcionar se necesita un programa de control y un cristal que permita la oscilación del

reloj interno. Generalmente, los microcontroladores disponen también de una gran variedad

de dispositivos periféricos como entrada/salida, convertidores analógico digital,

temporizadores, y buses de interfaz serie especializados, como UART (transmisor receptor

asíncrono universal), I2C (circuitos inter integrados) y CAN (red de control de área).

Para decidir por un dispositivo apropiado para el diseño, se analizó con mayor

detenimiento las funciones que se le asignaran al bloque de control, estas son:

- Comunicación con la PC.

- Conversión Analógica a Digital.

- Control de ganancias.

- Comando de llaves para comienzo y fin de la medida.

Todas estas funciones pueden ser realizadas con un microcontrolador.

7.2 Elección del microcontrolador (5)(6)(7):

Dada la poca complejidad del control a realizar no es necesario un microcontrolador

de más de 8 bits de palabra.

Existe una gran variedad de fabricantes de microcontroladores, y a su vez existe una

gran cantidad de modelos en cada marca. Por esta razón, se confeccionó una lista de los

microcontroladores que se podrían conseguir en el mercado.

Los elementos mínimos que debe tener para facilitar el desarrollo son: conversor A/D,

UART (siglas en inglés de Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), un temporizador

(contadores que se incrementan con la frecuencia de reloj del microcontrolador, generando un

temporizador), puertos de entrada salida (E/S), que posibilitan el control de las distintas

llaves.


A continuación se analizan algunos de los microcontroladores disponibles en el

mercado local con las características mencionadas.

7.2.1 Atmel [18]:

Comparación entre algunos integrantes de la familia AVR de Atmel:

El AVR tiene una CPU de arquitectura Harvard. Posee 32 registros de 8 bits. Algunas

instrucciones sólo operan en un subconjunto de estos registros. En los 32 registros, los de

entrada/salida y la memoria de datos conforman un espacio de direcciones unificado, al cual

se accede a través de operaciones de carga/almacenamiento. La pila (o stack) se ubica en este

espacio de memoria unificado y no está limitado a un tamaño fijo.

La tabla 7.1 que se presenta a continuación muestra la comparacion:

7.2.2 Freescale [19]:

En el caso de los microcontroladores Freescale, dos alternativas son el HC08 o el

HCS08. Corresponden a familias de microcontroladores de 8 bits y arquitectura de Von

Neumann con un solo bloque de memoria.

Ambos son microcontroladores de propósito general, cada miembro de esta familia

cuenta con diferentes periféricos internos, pero con una CPU común que permite migrar

aplicaciones entre ellos, facilitando así el diseño.

Entre los periféricos internos con los que cuentan estos microcontroladores, están, los

conversores analógicos-digital, módulos de control de tiempos y sistemas de comunicaciones

como SPI, I²C, USB o SCI o UART entre otros.

La tabla 7.2 es una comparativa entre los distintos integrantes de las familias HC08 y

HCS08.

Memoria Timers Microcontrolador RAM

(Bytes) EEPROM (kBytes)

Programa (kBytes)

Conversores A/D 8

bits 16 bits

Puertos E/S

Frecuencia Maxima

de trabajo

UART

ATmega3250 2048 1 32 8 2 1 69 16 1 ATmega3250P 2048 1 32 8 2 1 69 20 1 ATmega325P 2048 1 32 8 2 1 54 20 1 ATmega328P 2048 1 32 8 2 1 23 20 1 ATmega32A 2048 1 32 8 2 1 32 16 1

ATmega48PA 512 0.25 4 8 2 1 23 20 1 ATmega64 4096 2 64 8 2 2 54 16 2

Tabla 7.1 Microcontroladores Atmel


7.2.3 Microcontroladores de la marca Microchip [20]:

Los microcontroladores de esta marca son conocidos como PICs. Existen tres

segmentos: los de gama baja, media y alta; y dentro de cada uno de estos una gran variedad de

modelos. La arquitectura del procesador sigue el modelo Harvard. En esta arquitectura, la

CPU se conecta de forma independiente y con buses distintos con la memoria de instrucciones

y con la de datos.

La arquitectura Harvard permite a la CPU acceder simultáneamente a las dos

memorias. Además, propicia numerosas ventajas al funcionamiento del sistema, como

facilitar la aplicación de la técnica de segmentación (“pipe-line”) en la ejecución de las

instrucciones.

La segmentación permite al procesador realizar al mismo tiempo la ejecución de una

instrucción y la búsqueda del código de la siguiente. De esta forma se puede ejecutar cada

instrucción en un ciclo (un ciclo de instrucción equivale a cuatro ciclos de reloj).

El formato de todas las instrucciones es de la misma longitud

Todas las instrucciones de los microcontroladores de la gama baja tienen una longitud

de 12 bits. Las de la gama media tienen 14 bits y las de la gama alta 16 bits.

Usa un Procesador RISC (Computador de Juego de Instrucciones Reducido).

Microcontrolador Com. Serie

Mem. de Programa (kByte)

Frecuencia del Bus

Max(MHz)

Timers numero

de Timers

Timers - Canales

Timers tamaño

(bit) Adicionales

A/D Bits

Canales de Conversión

A/D

E/S Pins

68HC908JK3E - 4 8,4 -,1,- 2,2,2 16,16,- Input

Capture,Output Compare,PWM

- - 15, 23

68HC908JK8 SCI,SPI 8 8,4 -,1,- 2,2,2 16,16,- Input


8 10 15

68HLC908JL3E - 4 4,8 - 2 16 - 8 12 23

68HC908QT4A - 4 8.2,8 1 2 16 Input


10 6 6

MC908QB8) SPI,SCI 8 8 1 4 16 PWM,Input

Capture,Output Compare

10 10 14

MC908QY8 SCI 8 8 -,1,- 2,1,2 -,16,16 Input

Capture,Output Capture,PWM

10 4 16, 14

S08QB SCI 8,4 10 1,1 1,1 16,8 PWM,Output

Compare,Input Capture

8 12 14, 20, 24

S08SE SCI 8,4 10 1,1 2,1 16,16

Input Capture,Output Compare,PWM 10 10

14, 24

Tabla 7.2 Microcontroladores Motorota


Los modelos de la gama baja disponen de un repertorio de 33 instrucciones, 35 los de

la gama media y casi 60 los de la alta.

Todos los elementos del sistema (puertas de E/S, temporizadores, posiciones de

memoria, etc.) están implementados físicamente como registros.

Una lista de los microcontroladores posibles se encuentra en la tabla 7.3, junto con

algunas de sus características:

Microcont.

Memoria de

Programa k Bytes

Memoria EEPROM

RAM E/S Pins

Max. CPU clock MHz

Cant de canales

A/D

Comunicaciones

Digitales

Timers

PIC16F874A 7 128 192 33 20 8 0 -UART , 1 -A/E/USART ,

0 -SPI , 0 -I2C , 1 -MSSP(SPI/I2C)

2 - 8-bit , 1 - 16-

bit



2 - 8-bit , 1 - 16-

bit



2 - 8-bit , 1 - 16-

bit

PIC16F88 7 256 368 16 20 7

0 -UART , 1 -A/E/USART , 0 -SPI , 0 -I2C , 0 -MSSP(SPI/I2C) , 1 -

SSP(SPI/I2C)

2 - 8-bit , 1 - 16-

bit

PIC18F2423 16 256 768 25 40 10 0 -UART , 1 -A/E/USART ,


1 - 8-bit , 3 - 16-

bit

PIC18F2431 16 256 768 24 40 5

0 -UART , 1 -A/E/USART , 0 -SPI , 0 -I2C , 0 -MSSP(SPI/I2C) , 1 -

SSP(SPI/I2C)

1 - 8-bit , 3 - 16-

bit

PIC18F2450 16 0 768 23 48 10 0 -UART , 1 -A/E/USART ,


1 - 8-bit , 2 - 16-

bit Tabla 7.3 Microcontroladores Microchip

7.2.4 Elección del microcontrolador:

Cualquier microcontrolador de los que se encuentran en las tablas 7.1, 7.2 y 7.3 puede

ser usado para realizar el control del equipo. Por esta razón, la decisión final sobre qué

microcontrolador usar se baso en el software de programación, conocimiento técnico sobre el

lenguaje del microcontrolador y las herramientas de programación.

La marca a usar. Se eligió por tener las herramientas necesarias para su programación

y simulación; la marca es Microchip.

El microcontrolador. Dentro de esta marca existe una amplia variedad de modelos,

más allá de los que se expusieron en la tabla 7.3.


La elección se fundamenta en la cantidad de pines, dando por descontado que,

cualquiera sea el microcontrolador que se elija, todos tienen los periféricos necesarios para

realizar el control, puerto de comunicaciones seriales, puertos de E/S suficientes para el

control de las ganancias y conversores A/D. Por esta razón, se pensó en uno de los

microcontroladores de 40 pines, pensando en dar respuesta a posibles ampliaciones futuras

que requieran de más puertos de entrada/salida, como por ejemplo un “display” de cristal

líquido o de 7 segmentos, entradas de canales analógicos adicionales o alguna otra

especificación que se plantee como necesaria con el uso del equipo.

Teniendo en cuenta estas consideraciones se eligió el PIC16F877A. Este cuenta con:

• 14 k Bytes de memoria de Programa.

• 388 Bytes de memoria volátil, para datos.

• 8 conversores analógico digitales.

• 1 Puerto UART, para establecer comunicaciones seriales con la computadora.

Se eligió este microcontrolador porque cuenta con todo lo necesario para desarrollar el

proyecto.

7.4 Comunicación con la PC

Para establecer la comunicación desde el sistema de medición con la PC existen dos

formas posibles: de forma paralela y serial.

En la forma paralela se utiliza el puerto paralelo de la computadora, este requiere de

cuatro líneas de transmisión y cuatro líneas de recepción entre el módulo de control y la PC.

La comunicación serial requiere de una línea para transmitir a la PC y de una línea de

recepción desde la misma, puede ser por puerto serie o por USB.

Se decidió utilizar la transmisión en forma serial, aprovechando el periférico dedicado

a este tipo de comunicaciones que tiene el microcontrolador, el hecho de que sólo requiere de

dos puertos de entrada/salida del mismo y la simplicidad de implementación (tanto de

hardware como de software) respecto de USB. También da algunas ventajas en cuanto a la

programación del software.

Capitulo 8 Software de la PC 45

Capítulo 8

Software de la PC

En los entornos o lenguajes de programación es posible escribir un programa mediante

un código o lenguaje comprensible semánticamente por una persona (este código es llamado

código fuente), una vez escrito es posible convertirlo en un archivo binario, el que puede ser

procesado por una máquina.

Con el objetivo de decidir cuál usar, se analizaron algunos entornos, con énfasis en las

ventajas y desventajas respecto de la forma de programación en cada uno y

fundamentalmente, las ventajas que podría llegar a tener el programa final del equipo. Estas

ventajas pueden ser:

- Interfaz Gráfica amigable e intuitiva:

o Debería permitir observar de forma gráfica y en tiempo real la señal que se

está midiendo con el equipo. También se debería poder visualizar la señal ya

almacenada.

o Con configuración del equipo usando sólo el Mouse sin necesidad de

introducir códigos por teclado.

o Se deberían poder guardar los archivos que se van generando de forma

similar a cualquier programa con interfaz gráfica (ejemplo Word, Excel,

etc.).

o Ver la ganancia con la que se está operando el equipo en cada uno de los

momentos.

- Comunicación usando los puertos de la PC

o Permitir configurar los puertos de forma rápida e intuitiva. Sin necesidad de

ingresar algún comando.

o Poder ver el estado en el que se encuentra el puerto que se está usando, como

así también la configuración que se está usando.

- Estabilidad:

o El programa debe ser capaz de almacenar la cantidad de muestras necesarias.

En el capítulo cuatro, se manifestó que se tomaría una muestra durante 1

segundo aproximadamente, durante 1 o 2 semanas. De esto se deduce que el


programa debe funcionar durante todo ese período de tiempo sin ser

reiniciado.

8.1 Entorno de programación con lenguaje C (8):

El lenguaje de programación C fue creado en 1972 por Ken Thompson y Dennis M.

Ritchie en los Laboratorios Bell; resultado de una evolución del anterior lenguaje B, a su vez

basado en BCPL.

Al igual que B, C es un lenguaje orientado a la implementación de Sistemas

Operativos, concretamente Unix. Es apreciado por la eficiencia del código que produce y es el

lenguaje de programación más popular para crear software de sistemas, aunque también se

utiliza para crear aplicaciones.

Uno de los objetivos de diseño de este lenguaje fue que sólo fueran necesarias unas

pocas instrucciones en lenguaje máquina para traducir cada elemento, sin que hiciera falta un

soporte intenso en tiempo de ejecución.

Algunas fuentes sostienen que el lenguaje C es de nivel medio porque suele ser

clasificado como de alto nivel, pero permite ciertos manejos de bajo nivel que son precisos

para algunas aplicaciones como la creación de sistemas operativos, ya que permiten un

manejo abstracto (independiente de la máquina, a diferencia del ensamblador), pero sin perder

mucho del poder y eficiencia que tienen los lenguajes de bajo nivel.

Típicamente, sólo la programación cuidadosa en lenguaje ensamblador produce un

código más rápido, pues da control total sobre la máquina, aunque los avances en los

compiladores de C y la complejidad creciente de los microprocesadores modernos han

reducido gradualmente esta diferencia.

Aunque es posible desarrollar el software en este leguaje, presenta algunas dificultades

con los puertos de comunicaciones de la PC cuando se corre sobre la plataforma de Windows

XP. Existen métodos complejos para solucionar esto, pero son de la misma o mayor

complejidad que la del programa en sí.

Por otra parte, la construcción de una interfaz gráfica intuitiva y amigable al usuario es

muy dificultosa de implementar, con lo que el tiempo de desarrollo del programa sería

demasiado largo y complejo.

8.2 Entorno de programación Visual Basic:

Visual Basic es un lenguaje de programación de Microsoft. El lenguaje de

programación es un dialecto de BASIC, con agregados y modificaciones importantes.


Principalmente, es un entorno completamente gráfico que facilitará la creación de interfaces

gráficas y en cierta medida también la programación en sí.

Es un IDE (entorno de desarrollo integrado o en inglés Integrated Development

Enviroment). Consiste en un editor de código (programa donde se escribe el código fuente),

en un depurador (programa que permite al programador ejecutar el programa y analizar el

código línea a línea, ver los valores que se le asignan a cada variable, etc). En el transcurso

del programa, un compilador (programa que traduce el código fuente a lenguaje de máquina)

y en un constructor de interfaz gráfica o GUI (de las siglas interfaz gráfica para el usuario o

en inglés graphic user interface). Es una forma de programar en la que no es necesario escribir

el código para la parte gráfica del programa, sino que se puede hacer de forma visual,

arrastrando y colocando ordenadamente los elementos que se desea usar: botones elementos

de texto etc. Como se muestra en la figura 8.1

Figura 8.1 Entorno Visual Basic

Este lenguaje parece adecuado, debido a que permite construir de forma eficiente una

interfaz gráfica intuitiva y simple de utilizar, siendo este el objetivo principal del entorno.

También, y mediante librerías API de Windows, permitiría utilizar los puertos de la

PC sin inconvenientes, aunque sólo bajo entorno de Windows.


8.3 Entorno de programación Borlan Delphi:

Delphi es un IDE diseñado para la programación de propósito general con énfasis en la

programación visual. En Delphi, se utiliza como lenguaje de programación una versión

moderna de Pascal llamada Object Pascal. Una actualización del lenguaje PASCAL, con

manejo de objetos.

En sus diferentes variantes, permite producir archivos ejecutables para Windows,

Linux y la plataforma .NET. En la figura 8.2 se puede observar al entorno de programación.

Figura 8.2 Entorno de desarrollo Delphi

Delphi incluye una biblioteca de clases denominada VCL (Visual Component Library,

Biblioteca de Componentes Visuales). Las cuales sólo se arrastran a la zona de trabajo, y

luego se ajustan las propiedades para que cumplan una función deseada dentro del programa.

Permite de manera sencilla ejecutar trozos de código en respuesta a acciones o eventos

(sucesos) que ocurren durante el tiempo en que un programa se ejecuta. Por ejemplo, cuando

se presiona un botón, la VCL captura la notificación estándar de Windows, y detecta si hay

algún método asociado al evento OnClick del botón. Si lo hay, manda ejecutar dicho método.

Además de poder utilizar en un programa los componentes estándar (botones, grillas,

conjuntos de datos, etc.), es posible crear nuevos componentes o mejorar los ya existentes,

extendiendo la funcionalidad de la herramienta. En Internet existe un gran número de

componentes, tanto gratuitos como comerciales, disponibles para los proyectos.


Un ejemplo de estas herramientas externas es la denominada Teechart de la empresa

Steema Software; esta es una poderosa herramienta que permite realizar gráficos de forma

muy simple. Desarrollada mediante aplicaciones VCL para Delphi, permite agregar todo un

sistema para graficar con sólo definir el gráfico que se desea utilizar (en tiempo de

programación) y, luego, se le dan los valores que queremos que se vayan graficando, (en

tiempo de ejecución). El objeto se encarga sólo de la administración de su memoria y permite,

en tiempo de ejecución, ver todos los valores que le fueron entregados en forma de gráfica.

Esta herramienta está disponible en forma gratuita para Delphi.

8.4 Elección:

Finalmente se decidió realizar el programa en Delphi por las siguientes razones:

a- Programación visual. Este tipo de programación permite hacer un programa

con una interfaz gráfica amigable e intuitiva, lo que garantiza el tiempo de

aprendizaje por parte del usuario final.

b- Programación de alto nivel con orientación a objetos. Esto simplifica

notablemente el desarrollo de la aplicación, así como también los tiempos de

programación gracias a la gran cantidad de herramientas prediseñadas.

c- Posibilidad de migrar a otros Sistemas Operativos. Esta posibilidad permite que

con muy pocas modificaciones al código fuente, éste pueda ser compilado para

funcionar bajo otros sistemas operativos (con Kylix posibilitando la

compilación del código para Linux).

d- Conocimientos previos en la programación en Delphi

Capitulo 9 Resumen de la sección 50

Fuente de tensión continua Celda


U0

R4 R3 R2 R1

U-

L1 L3 L2 L4

R5

Capítulo 9

Resumen de la sección

El siguiente capitulo recopila y sintetiza el trabajo expuesto en capítulos anteriores.

Además organiza el desarrollo del trabajo en dos etapas: la primera, donde se desarrolla el

modulo analógico y la segunda denominada parte digital, donde se desarrolla toda la

programación necesaria.

9.1 Parte Analógica:

La parte analógica del sistema está compuesta por el conjunto llave principal,

adaptación de señal y ganancias.

Esta parte del sistema se encarga de ajustar la señal para realizar la conversión A/D, de

modo que pueda ser procesada y guardada por la parte digital del sistema.

Esta parte del sistema quedaría como el que muestra la figura 9.1

Fig. 9.1 Adaptación de señal y cambio de ganancia

Este circuito, como ya se mencionó en el capítulo 6, permite a la parte digital controlar

el factor de conversión de la parte analógica de forma aislada, mediante la utilización de reeds

reles. Así como también la conexión del sistema de medida a la celda con la utilización de un

relé (capitulo 5), también controlado por la parte digital del sistema.


9.2 Parte Digital:

Esta etapa está compuesta por el módulo de control de ganancias y comienzo o fin de

medición, la comunicación con la PC y el software en la computadora.

Se decidió que el control, realizado con el microcontrolador, también incluya la

conversión analógica a digital.

Este Modulo se implementa con un microcontrolador PIC16F877, que posee un

periférico para la conversión A/D de 10 bits, con 8 canales multiplexados, un módulo UART

para la comunicación con la PC, y 31 puertos de E/S que posibilitan los cambios de ganancia

y, además, dejarían un resto para alguna otra función que pueda ser requerida.

El Software de la PC se desarrolla con el entorno Delphi. Este permite realizar un

software con interfaz gráfica intuitiva y amena a la vista, con gráfica en tiempo real, y

comunicación con el puerto serie de la PC.

La comunicación entre el microcontrolador y la PC se realiza de forma serial. Esta usa

solo dos líneas de E/S en el microcontrolador y da ventajas en la programación del software

por el hecho de que en el entorno Delphi las comunicaciones seriales generan un evento que

permite el llamado automático a la rutina que procesa los datos entrantes por el puerto.

Actualmente, los puertos tanto serie como paralelo están tendiendo a desaparecer, y a

ser reemplazados por puertos USB (bus serie universal o en ingles Universal Serial Bus).

Otra ventaja de utilizar un puerto serial es que esto genera la posibilidad de migrar a

un puerto USB mediante adaptadores SERIE-USB, que a través de controladores informáticos

generan que en la PC se vea un puerto serie virtual, posibilitando que el equipo pueda usarse

en computadoras que no poseen puertos seriales.

El esquema de la parte digital quedaría como detalla la figura 9.2


Fuente de tensión

U-


Celda


U

Operaciones lógicas y puertos

de e/s

Conversores A/D

PUERTOS DE E/S

UART

Microcontrolador PIC 16F877

Comunicación Serial

PC

Delphi

Figura 9.2 Detalle del esquema digital

Capitulo 10 Desarrollo practico del modulo analógico 53

Capítulo 10

Desarrollo práctico del módulo analógico

El presente capitulo describe el desarrollo práctico del modulo analógico. Se

especifican detalles de la forma constructiva y de los esquemas de conexión utilizados.

10.1 El esquema analógico:

En la figura 10.1 se muestra el esquema del circuito analógico a desarrollar. Para esto

hace falta definir dos aspectos:

- El amplificador operacional a utilizar.

- Los valores de resistencias para establecer los distintos factores de conversión.

10.1.1 El amplificador operacional:

Algunas características que debe tener el operacional para este trabajo son:

- Baja corriente de polarización, de los transistores internos respecto de la

corriente a medir; esto permite que la corriente de polarización sea despreciable.

- Baja impedancia de salida, con respecto a la etapa de entrada del conversor

analógico a digital (A/D)

- Una ganancia de lazo abierto muy elevada, en el orden de los 100dB.

Como se mencionó en 3.4 y en el capitulo 4, este sistema de medición nace de la

necesidad de automatizar medidas que ya se venían realizando, pero que tenían grandes

deficiencias de implementación debido justamente a la falta de automatización. Antes de

comenzar este trabajo, ya se estaban utilizando conversores corriente tensión con el espíritu

general del conversor mostrado en la figura 10.1. El amplificador operacional que se usaba

en estos conversores era el LF411.

Se analiza este amplificador operacional para validar su uso de acuerdo a las

características arriba mencionadas.

Su entrada es de tecnología mosfet lo que garantiza una baja corriente de

polarización, posee también una baja corriente de offset, estos atributos se verifican en la

tabla 10.1.


Tabla 10.1 Características del amplificador operacional lf411 extraída de la hoja de datos de Nacional Semiconductors

Analizando otros amplificadores como el TLV2241 o el OPA735 se concluyó que

este amplificador es apto para las necesidades, si bien existen amplificadores con menores

corrientes de polarización, con mayores ganancias de lazo abierto, se comenzó a trabajar con

este, porque cumple con los requerimientos y su costo y disponibilidad lo hacen fácil de

reponer.

10.1.2 Valores de resistencias posibles:

La expresión del factor de conversión ya expresada en 6.2.4 es:

Es decir, que el factor de conversión es directamente el valor de resistencia que

tengamos.

Por lo dicho, se hace necesario saber los límites, superior e inferior de corriente en los

que se quiere trabajar y mantener, sin cambiar el valor del factor de conversión.

Los valores de resistencia que se muestran en la tabla 10.2 fueron elegidos junto con

las corrientes mínimas y máximas, de tal forma que la tensión de salida del operacional esté

entre 0,5V y 4,5V. Estas tensiones son las que van a ser adquiridas por el conversor A/D.

Estos valores fueron elegidos porque que el conversor trabaja con tensiones de entre 0V y

5V. Convierte las tensiones a un valor decimal entero, con una resolución de 10 bits, con lo

0,5V se va a traducir en un valor de 102 unidades digitales, y 4,5V en 921 unidades, con lo

que quedan centrados en la amplitud de tensión aceptada por el conversor (0V a 5V).

IRU SALIDA −=


U0

R5 R4 R3 R2


U-

L1 L3 L2 L4

R1 R6

L5

Los valores de resistencia son totales, debido a las características del circuito resulta

simple que cada cambio de factor se realice abriendo las llaves sucesivamente; esto genera

que los valores de los resistores se vayan acumulando.

Es lo que intenta representar la figura 10.1.

Figura 10.1 Cambios de factor

Esto significa que la primer resistencia será de 1 kΩ, la segunda de 9 kΩ con lo que la

suma dará 10 kΩ de resistencia totales, que es el valor que se muestra en la tabla.

10.2 Valores de Resistencias en el mercado:

Una vez establecidos los primeros valores teórico-prácticos de las resistencias que

fijarán los factores de conversión, se buscaron valores comerciales que correspondieran con

Valor de resistencia total Corriente mínima Corriente máxima

1 kΩ 450 µA 4,5 mA

10 kΩ 45 µA 450 µA

100 kΩ 4,5 µA 45 µA

1 MΩ 0,45 µA 4,5 µA

10 MΩ 45 nA 0,45 µA

100 MΩ 4,5 nA 45 nA

Tabla 10.2 Valores de resistencias totales


los elegidos. Por este motivo es necesario cambiar los valores planteados en 10.2 para poder

utilizar valores normalizados. Como muestra la tabla 10.3

Cuando comenzaron a adaptarse los valores teórico-prácticos a valores prácticos, se

encontró que, el circuito perdía simplicidad, por la necesidad de colocar resistencias en serie

y porque a medida que los valores de resistencia que se necesitan van en aumento, también

aumenta la complicación para conseguir dichos elementos; por ejemplo, resultó imposible

encontrar resistencias superiores de 10 MΩ de metal film.

La falta de estos resistores obligó a realizar modificaciones al circuito que permitieran

alcanzar los valores de conversión propuestos en la tabla 10.2. Para evitar estos problemas se

planteó una modificación que se ve en la figura 10.2. Esta consiste en colocar un divisor

resistivo en la salida del amplificador operacional, con lo que la realimentación genera un

factor que multiplica al factor de conversión original como se expresa en la ecuación 10.1

Posición de la

resistencia

Valor teórico

elegido

Valor comercial elegido

1 1 kΩ 1 kΩ

2 9 kΩ 6.3 kΩ + 2.7 kΩ

3 90 kΩ 63 kΩ + 27 kΩ

4 900 kΩ 630 kΩ + 270 kΩ

5 9000 kΩ 6.3 MΩ +2.7 MΩ

6 90 MΩ 63 MΩ +27 MΩ

Tabla 10.3 Valores de resistencias totales


U0

U0

R5 R4 R3 R2

Corriente a medir

U-

L1 L3 L2 L4

R1

R6 L5

R7

Salida

Ui

Figura 10.2 Esquema de conversión

Ecuaciones de la ganancia:

Si:

La ecuación de conversión de corriente tensión es:

La tensión en U0 es:

La tensión en U0, operando con las ecuaciones anteriores se llega a:

[10.1]

Con esta ultima expresión [10.1] la ganancia de la corriente no depende solo de un

valor de resistencia, sino de la relación entre dos resistencias (R6 y R7), si R6>R7

conseguimos que el factor de conversión sea veces mayor que si solo se usara R.

Con esta relación podemos tener un factor de conversión elevado sin necesidad de

valores de resistencias muy grandes.

Se debe tener cuidado con el factor de ganancia ya que si se lo hace muy grande,

puede dejar de cumplirse la hipótesis de tierra virtual, lo que llevaría a que la ganancia no sea

la calculada. Por otra parte R7 limita la corriente (cuando L5 esta cerrada) de salida del

amplificador operacional, y con este parámetro se tienen que elegir una corriente adecuada.

Las resistencias elegidas son las que se muestran en la tabla 10.4

iUI

R=

1 2 3 4 5R R R R R R= + + + +

6

7

R

R

( )7

760 R

RRUU i +•=

( )

+••=+••=

7

6

7

760 1

R

RRI

R

RRRIU


Se replantearon también los valores de resistencias para obtener simpleza en el

montaje final, utilizando una sola resistencia por ganancia. Para esto, se decidió utilizar los

valores de resistencia que se muestran en la tabla 10.4.

Los resistores R6 y R7 conforman una sola ganancia.

10.3 Filtros:

Una vez que se construyo el prototipo de la figura 10.2 para probar la eficiencia del

circuito, comenzó a notarse la aparición de una señal de 50Hz esta se induce en los cables a

partir de la red eléctrica. Este ruido tiene que ser filtrado de alguna forma. En un principio se

utilizo, para conectar la celda al equipo, un cable blindado con el blindaje conectado a tierra.

Cuando se probó este circuito en el laboratorio del IFLISIB esto no fue suficiente. Por

este motivo se agregaron dos tipos de filtros, uno analógico, y otro digital.

10.3.1 Filtro Analógico:

Se implemento un filtro colocando capacitores en paralelo con las resistencias que

generan el factor de conversión, como se muestra en la figura 10.4. Este filtro permite, de

forma simple, atenuar la señal de 50Hz que se encuentra solapada sobre la señal que se

quiere medir, y no afecta a la señal de interes debido a que la variación de corriente que

posee es muy pequeña comparada con la de 50Hz que posee la perturbación.

Resistencia Número Valor comercial

elegido

Valor de ganancia teórica

elegida

1 1 kΩ 1 kΩ

2 10 kΩ 11 kΩ

3 100 kΩ 111 kΩ

4 1MΩ 1,111 MΩ

5 10 MΩ 11,111 MΩ

6 10 kΩ

7 1 kΩ

111,111 MΩ

Tabla 10.4 Valores de resistencias finales


Figura 10.4 Filtro RC

Esta conexión hace que el factor de conversión para las señales de 50 Hz se vea

afectado por el valor de la impedancia resultante en esta frecuencia. Y para obtener una

impedancia resultante baja se hace necesario que la frecuencia de corte del filtro sea mucho

menor que la frecuencia a partir de la cual se quiere eliminar.

Por este motivo se eligió una frecuencia de corte de 1 Hz. La curva de Bode de este

tipo de filtro es el que se muestra en la figura 10.5. Se puede ver que en la frecuencia de 50

Hz, que es la que más interfiere en la medición, se está produciendo una atenuación de 40

dB, algo así como unas 100 veces.

Figura 10.5 Bode del filtro RC

Si analizamos la respuesta al escalón nos encontramos con la respuesta que muestra la

figura 10.6.

Mag

nitu

d (d

b)

Frecuencia (rad/s)

Diagrama de Bode

R

U-

U0



Figura 10.6 Respuesta al escalón del filtro RC

Una vez realizado el cambio de ganancia, la respuesta del filtro va tardar

aproximadamente 5 s, con lo que se perderán las muestras en el intervalo de respuesta. Es

decir se perderán 5 o 6 muestras (se toma 1 muestra por segundo) en este intervalo.

Teniendo en cuenta que se pretenden tomar alrededor de 1 millón de muestras

divididas en 5 ganancias, serian 250 mil muestras por ganancia, con lo que 5 muestras no son

significativas. Con lo que la respuesta en el tiempo del filtro es aceptable.

Los valores de capacidad elegidos para cada resistencia del circuito adaptador de

señal son los que se muestran en la tabla 10.5

Resistencia N Valor de R Capacidad Elegida fC

1 1 kΩ 1000 µF 1Hz

2 10 kΩ 100 µF 1Hz

3 100 kΩ 10 µF 1Hz

4 1MΩ 1 µF 1Hz

5 10 MΩ 0,1 µF 1Hz

6 10 kΩ 100 µF 1Hz

Tabla 10.5 Resistencias y capacidades correspondientes a cada filtro

[V]


U0

R5 R4 R3 R2

Corriente a medir

U-

L1 L3 L2 L4

R1

R6 L5

R7

Salida

C1 C3

C6

C5 C2 C4

10.4 Impedancia vista desde la entrada:

Para medir una corriente, es posible intercalar una resistencia o un elemento que nos

dé información de la corriente, y a su vez, conectar algo en el circuito a medir produce un

error llamado de inserción.

Para que el error de inserción sea lo menor posible, es necesario que la impedancia

que se intercala en el circuito a medir sea despreciable, frente al circuito a medir.

Si se analiza el circuito analógico, re dibujado en la figura 10.7, con todos los filtros

colocados, y queremos ver la impedancia que se le presenta al circuito a medir, esta es la

impedancia que presenta el amplificador operacional en su entrada, y si recordamos la

simplificación de tierra virtual se puede concluir que el circuito a medir está directamente

conectado a tierra, y que la impedancia que ve en bornes del circuito analógico intercalado

para medir la corriente es nula, siempre y cuando la suposición de tierra virtual se cumpla.

Figura 10.7 Circuito analógico

Para que la suposición de tierra virtual se cumpla debe ocurrir que la ganancia del

amplificador a lazo abierto sea muy grande (en teoría infinita).

Se debe tener en cuenta, también, a la corriente de polarización. Esta tiene que ser

despreciable con respecto a la corriente que se quiere medir. En la tabla 10.1 se puede ver

que esta corriente como máximo garantizado por el fabricante, a 70ºC es de 4nA y de 200pA

a 25ºC, si la temperatura de trabajo del Amplificador es cercana a los 70ºC la corriente de

polarización no seria despreciable si pretendemos llegar a decenas de nA. Existen otros

amplificadores que tienen una corriente de polarización mucho más baja y que seria

despreciable (como el LMC660) pero el costo de estos es mucho mas elevado, y deben ser


pedidos especialmente a importadores. Por esta razón se usara este amplificador, tratando

mantener la temperatura mas cerca de los 25ºC que de lo 70ºC.

10.5 Circuito Analógico Final:

Luego de varias modificaciones realizadas por diversos motivos como el ruido o valores de

resistencia. El circuito acondicionador de la señal queda finalmente como el que se muestra

en la figura 10.7.

10.6 Errores estimados:

Los errores estimados entre la corriente que ingresa y la tensión que debería salir, de

acuerdo al factor de conversión teórico, no es de gran importancia. Porque estos errores

pueden ser desafectados midiendo el factor de conversión real que se posee en cada escala, y

luego quitando la diferencia entre el valor teórico de la escala y el real.

Pueden existir otros factores de error:

Dos de los factores que introducen error son: La variación del valor resistivo con la

temperatura y la variación de la ganancia del amplificador operacional durante la medición.

El error que se produce en el valor resistivo por el cambio de la temperatura sigue la

regla lineal 10.1.

R (T) = R0 ( 1 - α (T – T0)) [10.1]

Mientras que la variación de la ganancia en el amplificador operacional sigue una

regla no lineal y puede no depender solamente de la temperatura, por desgracia el fabricante

no especifica estos datos de forma precisa.

Si fuera necesario evitar los errores por la variación de la temperatura sería necesario

colocar al equipo en un ambiente de temperatura controlada, donde no se permitan

variaciones de temperatura, y si las hubiese estas tendrán que ser registradas y se deben

contar con los factores de conversión correspondientes a cada temperatura. Y puedan ser

desafectados al final de la medición.

Debido a que no se cuenta con la expresión del error en el amplificador operacional,

se opto por medir el factor de conversión en cada ganancia y medir el error máximo que se

tiene en todo el rango de cada ganancia.

10.7 Fuentes de tensión de la etapa analógica:

En la etapa de adaptación de señal o etapa analógica, el consumo de energía no fue

una característica que se tuvo en cuenta a la hora de desarrollar la idea del conversor


corriente tensión ya que esta etapa no consume demasiados recursos energéticos, por lo que

la fuente de tensión que se requiere es simplemente una fuente de tensión regulada como la

que se muestra en la figura 10.8.

Figura 10.8 Fuente de tensión con reguladores 7809 y 7909

Esta consta de dos reguladores de 9V, uno para tensiones positivas (7809) y otro para

tensiones negativas (7909), la tensión de entrada en estos reguladores proviene de un

transformador, rectificado y un filtro capacitivo, la tensión que sale de este conjunto es de

aproximadamente 12V. Con lo que la potencia disipada en los reguladores se puede estimar

con la expresión 10.2

[10.2]

Donde: Pd es la potencia disipada

UC es la tensión de caída en el regulador

IC es la corriente que circula a través del regulador

La corriente IC no es considerable, teniendo en cuenta que sólo está conectado el

amplificador operacional en el circuito de conversión corriente-tensión, podemos considerar

un valor estimado en 10 mA, con lo que la expresión 10.2 queda de la forma que se muestra

en 10.3:

[10.3]

Esta potencia es soportada de forma eficiente por los reguladores, por lo que el

circuito no requiere de elementos adicionales y termina siendo como el que muestra la figura

10.9.

CCd xIUP =

( ) mWmAxPd 3010912 =−=


Figura 10.9 Circuito esquemático de la fuente de tensión regulada de +/- 9V

El transformador es un transformador de 220V a 9V eficaces, lo que nos da una

tensión continua de aproximadamente 12V.

Capitulo 11 Desarrollo practico del modulo Digital 65

Fuente de tensión

U-


Celda


U

Operaciones lógicas y puertos

de E/S

Conversores A/D

PUERTOS DE E/S

UART

Microcontrolador PIC 16F877

Comunicación Serial

PC

Delphi

Capítulo 11

Desarrollo práctico del módulo Digital

El siguiente capitulo se desarrolla el modulo digital descrito en el capitulo 9. Este

modulo comprende la digitalización de la señal, el control global del equipo y las

comunicaciones con la PC. Se dan detalles de la forma constructiva y de los esquemas de

conexión utilizados, así como también las justificaciones que se creen necesarias.

11.1 Esquema Digital:

Este módulo es el encargado de cuantizar la señal para convertirla a digital. Una vez

convertida la señal de entrada, debe transmitir el dato a la PC, verificar el valor de la señal y si

es necesario, realizar un cambio de ganancia en el sistema analógico.

Para realizar este modulo se recurrió al uso de un microcontrolador PIC16F877A de la

marca MICROCHIP. El esquema de este circuito de adquisición y control es el que se muestra

en la figura 11.1.

Figura 11.1 Esquema de adquisición control.


Una de las características principales de este módulo es el tiempo en que están

espaciadas las conversiones analógicas a digital.

Como ya se menciono las muestras se toman cada 1 segundo, y para mayor

simplicidad al momento de configurar el equipo, este intervalo es fijo, sin posibilidad de

modificación.

En el circuito esquemático de la parte de adquisición y control es el que muestra la

figura 11.9. La adquisición A/D se hace a través del puerto analógico AN1.

La conversión A/D se realiza con una tensión de referencia regulable conectada en los

bornes +VREF y -VREF estos están conectados a una fuente de tensión, que en un principio,

puede ser de 5V, con lo que queda una sensibilidad de 5mV por división, aproximadamente.

También se tendría la posibilidad de cambiarla, por ejemplo, a 3V con una sensibilidad de

aproximadamente 3mV.

El control de los factores de conversión se hace a través de los pines RB1 al RB5, estos

conmutan a los reed relé conectados en paralelo a las resistencias encargadas de establecer los

factores de conversión. Este factor aumenta cuando se abre una llave, eliminando el

cortocircuito de la resistencia correspondiente. De esta forma se puede obtener el factor de

conversión deseado.

El puerto RE1 es el encargado de actuar sobre la llave que conmuta entre la carga o la

medición de la celda.

11.2 Modo de programación

La primera versión del firmware del microcontrolador se ha desarrollado en lenguaje

Assembler. Este es de muy bajo nivel por lo que hay que conocer todos y cada uno de los

registros que se van a utilizar, el banco de memoria en el que se encuentran y en el caso de

una instrucción de salto se debe tener en cuenta la página de la memoria en la que se encuentra

la dirección destino.

El entorno de programación para el desarrollo es el provisto por la firma Microchip y

es posible utilizarlo tanto para la programación como para la simulación de sus

microcontroladores, se trata del MPLAB, en su versión 7.31 que se muestra en la figura 11.2.


Figura 11.2 Entorno de desarrollo MPLAB

Los periféricos del microcontrolador usados son los de conversión analógico/digital,

temporizadores (timers), comparadores de tiempo y los registros para el manejo de

interrupciones.

Un resumen de estos registros y la función que cumple cada bit se puede encontrar en

las hojas de datos del microcontrolador, estos son parte de la hoja de datos del

microcontrolador. Estos registros son fundamentales para que el programa funcione de forma

correcta.

El código en Assembler sigue el diagrama de flujos general que se muestra en la figura

11.3


Carga o mide?

Inicializa todos los

perifericos y

variables del

sistema

Inicio

Esta cargando

actualmente?

- Adquiere cuatro muestras

con el conversor A/D, 1

muestra cada 250 ms

- Envia el promedio de las

muestras a la PC

Pone a la celda a

cargar

Es Necesario un cambio

de ganancia?Coloca la

ganancia

correspondiente

Mide

NO

Carga

Si

SI

NO

Figura 11.3 Diagrama de flujos general del código en Assembler

En cada muestra que se toma hay, en realidad, cuatro muestras distribuidas a lo largo

del segundo (una muestra cada 250 ms), que luego son promediadas y finalmente queda el

valor que se envía a la computadora cada segundo.

Los datos que son enviados a la computadora cada segundo. Los datos corresponden al

valor de las 4 muestras promediadas y el correspondiente valor de ganancia, con la cual fue

tomada la muestra.

El control de las ganancias se realiza comparando el valor promediado final con dos

umbrales, uno superior y otro inferior. Si el valor comparado es menor que el umbral inferior

se corresponde con un aumento en el factor de conversión, si es superior al umbral superior,

corresponde lógicamente con una disminución del mismo.

Con el primer prototipo se observaron problemas de ruido, si bien no muy graves (no

superaban los 20mV de ruido), en factores altos (mayores al factor 3) la gráfica obtenida al

final del proceso no resultaba del todo satisfactoria. Para mejorarla fue necesario un

promediado de 5 muestras, con lo que el resultado final resultaba aceptable.


Para mejorar esta situación, se optó por tomar un mayor número de muestras

analógicas que permitieran, mediante un promedio, mitigar las variaciones que se producen en

la señal analógica. De esta forma, los valores entregados a la PC darán como resultado una

gráfica con menos variaciones.

Debido a que tomar un mayor número de muestras y promediarlo requiere un trabajo

matemático de mayor complejidad en cuanto a la programación, y teniendo en cuenta que el

programa fue escrito en lenguaje assembler, se eligió cambiar el leguaje de programación por

uno de mayor nivel que permitiera reescribir todo el código de forma simple y tuviera

incorporadas las funciones matemáticas necesarias

11.3 Lenguajes de alto nivel para microcontroladores PIC

Existen varios lenguajes de programación en alto nivel para microcontroladores PIC,

se analizaron algunos de ellos y dos de los que se destacaron fueron los que se detallan a

continuación.

- PCWHD

- PICC

11.3.1 PCWHD Compiler

Este lenguaje fue creado por la firma CCS. Es un traductor de un lenguaje muy similar

al C, a código hexadecimal de microcontroladores PIC. Las características principales del

lenguaje se pueden destacar algunas que refieren a sus funciones específicas de muy alto

nivel, por ejemplo:

Para configurar el conversor A/D se utiliza sólo una función, al igual que para leer un

canal analógico, configurar los puertos de entrada salida, leer un puerto de entrada o escribir

un puerto de salida.

Que toda la programación sea con funciones genera algunas complicaciones, esto se

debe a que muchas funciones realizan cosas que son realmente simples, y que no requieren

más de una instrucción de código assembler, y al ser puesto como función obliga a recordarla

y a la vez recordar su sintaxis.

11.3.2 PICC

Lenguaje de programación C para microcontroladores PIC desarrollado por la firma

HI-TECH, convierte de un lenguaje similar al lenguaje C de kernigan richie, en código

hexadecimal de microcontroladores PIC. Este lenguaje de programación, si bien es de alto

nivel comparado con el assembler, es un lenguaje de un nivel inferior al PCWHD en 11.6.1.

Esto se debe a que los registros del microcontrolador se trabajan como variables del código


que se escribe. Para realizar una configuración de un periférico es necesario, al igual que en

assembler, escribir uno por uno los registros de los periféricos que se desean configurar, si

bien puede escribirse una función para tal fin, esta no viene con el compilador.

Por otro lado, que los registros sean variables simplifica todas las operaciones

relacionadas con la lectura y escritura de bytes y bits del programa escrito. El lenguaje permite

preguntar por el estado lógico de una entrada o una salida en sólo una instrucción, como si se

tratara de una variable más del programa.

El compilador PICC resulta más intuitivo de usar que el PCWHD, esto se debe a que al

ser de nivel más bajo, las operaciones simples se vuelven aún más simples, mientras que en un

lenguaje de alto nivel, las operaciones simples dejan de serlo y requieren funciones extra para

poder realizarlas.

Otro cambio que se debe realizar al pasar de lenguaje assembler a C es el cambio de

cristal. Esto se debe a que el lenguaje C es un lenguaje de alto nivel y cada instrucción

requiere de más de una instrucción de assembler. Por esta razón, para que un programa escrito

en C tenga un rendimiento similar al de uno escrito en assembler, es necesaria una mayor

velocidad de procesamiento.

11.4 Elección del compilador C

Se eligió utilizar el compilador HI-TECH porque se consideró que su lenguaje

resultaba más simple de utilizar, teniendo en cuenta un criterio personal, ya que con

cualquiera de los programas se puede obtener el mismo resultado.

Para utilizar este compilador no es necesario cambiar de entorno gráfico, sólo se

necesita indicarle al programa MPLAB que se desea compilar con este código, como muestra

la figura 11.4


Figura 11.4 Cambio de código con el que se compila en MPLAB

El código generado con este lenguaje es más sintético que el generado en lenguaje

assembler y, al mismo tiempo, un código más fácil de comprender.

En el nuevo programa se toman alrededor de 900 muestras dentro del segundo, esto es

cuantitativamente mayor que las 4 muestras que se tomaban en el código de assembler. Esta

cantidad de muestras mitiga el error que se producía con las cuatro muestras originales.

11.5 Comunicación con la PC:

La comunicación con la computadora se realiza mediante una transmisión serie,

conectada en los pines RX (RC7) y TX (RC6) del microcontrolador, conectados a un

convertidor de tensiones. Este es el encargado de convertir la señal TTL de 5 V en una de +/-

12V que va a la PC y la señal de +/-12 V proveniente de la pc en una señal TTL que es

compatible con el microcontrolador.

La velocidad de transmisión se estableció en 9600 bps con un solo bit de comienzo, un

solo bit de parada y sin bit de paridad. También se decidió que sea fijo, evitando, una vez más,

un punto de configuración por parte del usuario.

El esquema de la figura 11.4 muestra las conexiones entre el microcontrolador, el

conversor de tensiones max232, y la computadora.


1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Byte menos significativo

2 bits más significativo

Ganancia

Figura 11.4 Conexión del microcontrolador con la Computadora

En un primer prototipo escrito en lenguaje assembler, para realizar la transmisión se

armó un protocolo especial con los bits, de tal manera que en 2 bytes se enviaba toda la

información, de 10 bits de la conversión A/D, más 3 bits que indicaban el estado del factor de

conversión.

La posición de cada bit en el protocolo era el que se muestra en la figura 11.5

Figura 11.5 Protocolo de transmisión a la PC

En el programa escrito en lenguaje C se cambió este tipo de protocolo y se decidió

convertir todos los valores a su correspondiente valor en ASCHII. Esto aumenta el número de

bytes a transmitir, pero al ser la velocidad de transmisión de 9600 bps el tiempo que demoran

en llegar a la computadora no es un valor significativo.


11.6 Fuentes de tensión para el módulo digital:

El modulo digital tiene una mayor circulación de corriente que el módulo analógico,

esto se debe a los cinco relés que pueden ser excitados en simultáneo, con un consumo

individual (de corriente) de aproximadamente 15mA, el microcontrolador con un consumo de

20mA máximos) con un cristal de 20 MHz y el conversor A/D funcionando, se puede

considerar también al conversor de tensiones max232, con un consumo aproximado de 5mA,

con todos los elementos, el consumo del circuito no llega a los 500mA. Con estas

consideraciones podemos decir que con un regulador de tensiones serie del tipo LM7805 no

van a existir problemas. El conexionado de este regulador es el que se muestra en la figura

11.6

Figura 11.6 Regulador de tensión serie

Como se mencionó en 11.1 se hará uso de una fuente de tensión regulada como

referencia. Para esto, se pensó, en un primer momento y a modo de evaluación, usar un

regulador del tipo LM317, con el que se puede regular la tensión de salida. Si bien este tipo de

regulador no esta compensado en temperatura, para un primer prototipo es adecuado, ya que

es muy simple de montar, como se puede ver en la figura 11.8.

En cualquier caso, si se generan grandes variaciones en la tensión de referencia se

deberá pensar en un regulador con compensaciones en temperatura.


Figura 11.8 Fuente de tensión regulable

11.7 Construcción

Una vez decididos todos los circuitos esquemáticos parciales, se armó el circuito

esquemático final, que es el que muestra la figura 11.9.


Fig

ura

11.

9 C

ircu

ito

esqu

emát

ico

fina

l


A partir del circuito esquemático final se trabajó en el programa EAGLE, de la

empresa Cadsoft, en su versión 4.16, para realizar el diseño del circuito impreso que muestra

la figura 11.10.

Figura 11.10 Circuito Impreso

Este circuito se hizo realizar, se montaron los componentes y para terminar se monto

en el gabinete como muestra la figura 11.11.


Figura 11.11 Placa construida

Capitulo 12 Programación del Software 78

Capítulo 12

Programación del software

El presente capitulo describe el desarrollo práctico del software realizado para recibir las

señales del equipo y dar interacción con el usuario. Por el tamaño y la complejidad del software

solo se describirán los aspectos más relevantes del desarrollo.

12.1 Introducción

Para construir el software de la computadora se decidió usar el lenguaje Delphi, este

lenguaje es muy simple de utilizar y rápidamente podemos llegar a un programa ejecutable en un

entorno Windows.

12.2 Programación con Delphi

La programación con Delphi es muy similar a C con algunas variaciones: Las variables se

declaran de forma ordenada y al comienzo de cada función, esto hace de este código un código

muy ordenado y legible.

Para igualar una variable a un número u otra variable se usa la sentencia:

Variable_1:=5; Variable_1:= Variable_2;

Se usan puntos y comas al final de cada instrucción al igual que en C.

El entorno de usuario es intuitivo. Colocar un botón o un cuadro de texto consiste,

simplemente, en arrastrarlo y dibujarlo en el “form”, como se ve en la figura 12.1.


Figura 12.1 Entorno de programación

Un programa desarrollado en Delphi trabaja por eventos, es decir, que cada objeto que se

coloca en el “form” tiene asignados ciertos eventos a los que este responde; también se las puede

llamar interacciones con el usuario. La forma de atender a los eventos es ejecutar un

procedimiento.

En este tipo de programa no se realiza un diagrama de flujos, si bien puede realizarse para

cada función que lo compone, no para el global del programa. Esto se debe a que las funciones no

se ejecutan una a continuación de la otra, sino que se ejecutan a pedido del usuario o elementos

externos como, por ejemplo, la entrada de datos por el puerto serie.

En la figura 12.2 se coloca, a modo de ejemplo, un cuadro de texto o “memo box” y se le

puede asignar una función específica al evento “OnClick”. Así como también se le puede asignar

una función a este evento se le puede asignar la misma función, o una distinta, a otra interacción

con el usuario que pueda ocurrir, como un doble clic, o cambio, etc.


Figura 12.2 Eventos de un memo box

12.2.1 Barra de menús

Para comenzar con el programa primero colocamos el sistema de menús Tmenu como se

muestra en la figura 12.3

Figura 12.3 Tmenu


Esta es la barra donde se colocan, por lo general, los menús archivo, edición, ver, etc. En

este caso los menús van a ser: Archivo, configuración, Operaciones y ayuda. Como se ve en la

figura 12.4. Una vez colocados estos menús se le asigna a cada uno la función que le

corresponde.

Figura 12.4 Tmenu terminado

12.2.2 Barra de estado

La barra de estado le permite a un programa brindar información al usuario sobre

configuraciones con las que está trabajando el equipo, o el programa.

Para colocar la barra de estado seleccionamos la herramienta adecuada y la barra

simplemente se acomodará en la posición que se ve en la figura 12.5


Figura 12.5 Barra de estado

A esta barra se le asigna un nombre, que a su vez es el nombre de un arreglo de datos de

tipo texto y por cada campo del arreglo se crean campos como muestra la figura 12.5. Para

mostrar distintos valores se le asigna el texto, que se desea mostrar, a cada variable del arreglo

deseado, y este texto aparecerá en la barra en tiempo de ejecución del programa.

En la figura 12.6 se muestra el fragmento de código mientras que en la figura 12.7 se

muestra cómo aparece en la barra de estados.


Figura 12.6 Asignación de valores a la barra de estados

Figura 12.7 Barra de estado con los valores asignados

12.2.3 Cuadro de gráfico “Teechart”

Para la creación del gráfico se usó un objeto diseñado por la empresa Stema Software, el

objeto se llama “Teechart” y viene para distintos programas como Microsoft Visual Basic,

Microsoft office, Eclipse (Entorno integrado de programación para lenguaje Java). Pero en el

caso de Delphi la aplicacion viene instalada por defecto con el software, a diferencia de los otros

programas.

El primer paso es dibujarlo sobre el “form”, para esto se selecciona la herramienta

“Teechart” y luego le da el tamaño deseado en el “form”. Como se muestra en la figura 12.8

procedure mostrarSetings();

begin

// Puerto

DeoVel.sb.Panels[0].Text := ' COM' +

inttostr(DeoVel.mscomm1.CommPort) ;

// Seteos de velocidad, paridad, cantidad de bits, bits de

parada

DeoVel.sb.Panels[1].Text := ' Configuración: ' +

DeoVel.mscomm1.Settings;

// RTS

if ( DeoVel.MSComm1.RTSEnable ) then

DeoVel.sb.Panels[2].Text := ' RTS: ' + '1'

else

DeoVel.sb.Panels[2].Text := ' RTS: ' + '0';

// DTR

if ( DeoVel.MSComm1.DTREnable ) then

DeoVel.sb.Panels[3].Text := ' DTR: ' + '1'

else

DeoVel.sb.Panels[3].Text := ' DTR: ' + '0';

end;


Figura 12.8 TeeChart

Una vez hecho esto, se editan las propiedades. Para que resulte sencillo apretamos con el

botón derecho sobre el gráfico y accedemos a ellas. En las propiedades se puede editar el tipo de

gráfico, en este caso de líneas, la cantidad de líneas con las que se grafica, su color, las reglas, el

color de fondo etc. Esto se muestra en la figura 12.9


cant_col_serie := 15;

for i := 1 to (cant_col_serie + 1) do begin

series1.add(0, ''timetostr(time), clred); end;

Figura 12.9 Configuración del TeeChart

Una vez configurado el gráfico es necesario colocarle los valores iniciales, para fijar la

cantidad de puntos que va a mostrar por pantalla. Se decidió, con un criterio puramente estético

para que resulte agradable a la vista, 15 valores por pantalla. Esta configuración se realiza cuando

se inicia el programa con el siguiente código.

Una posibilidad para ingresar cada valor desde cualquier procedimiento consiste en:

colocar en el “form” un campo de texto, donde luego se escribirán los valores de cada dato a

graficar, y también un botón que tenga como evento graficar el valor colocado en el campo de

texto. Como se muestra en la figura 12.10


Figura 12.10 Botón y Campo de texto.

Luego, desde cualquier procedimiento se puede agregar un valor a la gráfica, en este caso

una forma de hacerlo sería como muestra el siguiente código.

if ((strtoint(edt_valor_grafica.text)>=0) and

strtoint(edt_valor_grafica.text) <= 1024)and

(strtoint(edt_valor_grafica_2.text) >= 0) and

(strtoint(edt_valor_grafica_2.text) <= 1024)) then

btn_graficarEntrada.Click;

Primero, se analiza si los valores a graficar están dentro de los parámetros correctos y

luego se grafica.

Para terminar, al cuadro de texto y al botón se les da la propiedad de invisibles, como se

muestra en la figura 12.11, por lo que en el momento de ejecución estos no se ven, como lo

podemos corroborar en la figura 12.12


Figura 12.11 Asignación de invisibilidad al Botón y al campo de texto.

Figura 12.12 Comprobación de invisibilidad del botón y el campo de texto en tiempo de ejecución.


12.2.4 Comunicación serie

La comunicación serie se establece a partir del objeto “Tcomm”, una vez colocado este

objeto, como se muestra en la figura 12.16.

Figura 12.13 Comunicaciones.

Para configurar este objeto se le deben colocar las propiedades inherentes al puerto serie,

es decir: velocidad de transmisión, cantidad de bits de parada, si lleva o no bit de paridad - en el

caso de que lleve, si este significa par o impar -, entre las mas importantes. Un detalle a tener en

cuenta es que estas configuraciones deben poder modificarse en caso de que se decida cambiar la

configuración del microcontrolador. Para que esta configuración sea modificable en tiempo de

ejecución, es necesario crear un menú al que pueda accederse. Para esto se crea un nuevo “form”,

con las configuraciones que se desean modificar, como muestra la figura 12.14 y 12.15


Figura 12.14 Configuración de comunicaciones.

Figura 12.15 Comunicaciones.

Este “form” tiene una unidad de programa asociada donde puede escribirse el código con

el que va a trabajar y es la que va a procesar todo lo referido a este “form”, como controlar los

botones, guardar todas las configuraciones en un archivo etc. Las configuraciones se guardan en

un archivo de texto para luego, cuando se abra nuevamente el programa, este archivo sea el que

establezca como serán las configuraciones iniciales del puerto serie.

Por otra parte, para que este “form” sea accesible desde la pantalla principal es necesario

agregar algunas líneas de código, en el programa principal, que lo llamen. Las instrucciones que

hacen la llamada son las que se muestran a continuación.


procedure TDeoVel.Puertos1Click(Sender: TObject);

var

frm_configuracion: Tfrm_configuracion;

begin

frm_configuracion := Tfrm_configuracion.Create(self);

frm_configuracion.ShowModal;

if ( mscomm1.PortOpen ) then

mscomm1.PortOpen := false;

shp_abierto.Pen.Color := clGray;

Se setean las propiedades del control ocx de puertos despues

de salir del form de configuracion

with mscomm1 do begin

CommPort := PUERTO_COM;

Settings := CONFIGURACION;

mscomm1.RTSEnable := RTS;

mscomm1.DTREnable := DTR;

end;

mostrarSetings();

frm_configuracion.Free;

end;

Para poder abrir la configuración del puerto serie se creó en el menú comunicaciones un

acceso llamado “configuración”, a este se le asoció el evento encargado de abrir el menú, como

se muestra en la figura 12.16.


Figura 12.16 Apertura del menú configuración de comunicaciones.

12.2.5 Recepción de datos

Para recibir los datos del equipo es necesario trabajar con el objeto “tmscomm” que

permite la recepción y transmisión de datos mediante el puerto serie.

En primer lugar, se estableció como evento en el objeto “tmscomm” el procedimiento que

recibe los datos desde el adquisidor, como muestra la figura 12.17. Como este evento, es uno

solo, esta compuesto, además, por una variable (OnComm) en la que el sistema operativo nos

informa a que se debe el evento “tmscomm”, este se puede deber a muchas posibilidades como se

muestran en la tabla 12.1:


Figura 12.17 Evento de recepción de datos.

Constantes OnComm Constante Valor Descripción

comEvSend 1 Evento Send. comEvReceive 2 Evento Receive.

comEvCTS 3 Cambio en la línea Preparado para enviar (CTS). comEvDSR 4 Cambio en la línea Equipo de datos preparado (DSR). comEvCD 5 Cambio en la línea Detección de portadora (CD).

comEvRing 6 Detección de llamada. comEvEOF 7 Fin de archivo.

Constantes de errores Constante Valor Descripción

comEventBreak 1001 Recibida señal de interrupción comEventCTSTO 1002 Tiempo de espera de Preparado para enviar comEventDSRTO 1003 Tiempo de espera de Equipo de datos preparado comEventFrame 1004 Error de trama

comEventOverrun 1006 Pérdida de información en puerto comEventCDTO 1007 Tiempo de espera de Detección de portadora comEventRxOver 1008 Desbordamiento del búfer de recepción comEventRxParity 1009 Error de paridad comEventTxFull 1010 Búfer de transmisión lleno

comEventDCB 1011

Error inesperado al recuperar Bloque de control de dispositivos (DCB) para el puerto

Tabla 12.1 posibles causas de llamadas del evento TMscomm


Es posible utilizar en este caso la instrucción, “select case”, que posiciona el flujo del

programa en el lugar que corresponde de acuerdo a cada constante, la más importante de estas

constantes es “on_recive”, en esta, el sistema operativo nos indica que se ha recibido un dato por

el puerto, en la parte del programa apuntada por esta constante vaciamos el buffer del puerto y

luego procesamos los datos. Para procesar los datos el código escrito sigue el diagrama de flujo

que muestra la figura 12.18.

Figura 12.18 Diagrama de flujo de la recepción de datos.

Una vez escrito el código, este se encarga de recibir, almacenar y graficar los valores que

lleguen al puerto serie provenientes del adquisidor.


12.2.6 Transmisión de datos al adquisidor

El objeto “tmscomm” da también, la posibilidad de transmitir datos desde la PC al

adquisidor. Esto hace posible la transmisión de algunas configuraciones básicas (carga/medición,

ganancia) desde la PC al adquisidor.

Para transmitir datos al adquisidor de forma ordenada resultó necesario plantear

modificaciones en el código que recibe los datos del equipo, para que, una vez recibido el dato, se

transmita la información deseada. Es posible realizar la modificación sólo agregando las

instrucciones que permiten la transmisión al final del código de recepción, como se plantea en el

diagrama de flujo que muestra la figura 12.19

Figura 12.19 diagrama de flujo de transmisión.

Para establecer los datos que se van a enviar al equipo es necesario hacer un nuevo form,

como el que se muestra en la figura 12.20, con los datos que se desean enviar al adquisidor.

El orden de los datos está compuesto por tres bytes: el primero, dice si el equipo carga la

celda o la mide; el segundo, dice qué ganancia debe tener; y, el tercero, da la ganancia del modo

como se debe colocar en el registro de entrada salida del microcontrolador. Este último byte es

simplemente para facilitar la tarea del microcontrolador y que no se necesite una nueva rutina que

decodifique el dato de la ganancia


Figura 12.20 Datos a enviar.

Los datos se pueden indicar fácilmente en el formulario de la figura 1.20 y este se encarga

de interactuar con la transmisión que se realizará luego.

La información se envía, de forma ordenada, una vez que se recibió el último dato, según

el diagrama de flujo de la figura 12.19.

12.2.7 Agenda

En muchas ocasiones, en un experimento es necesario realizar varias veces una medición.

Para esto se establecen horarios en que se pone a cargar la celda y horarios en los que se la pone a

medir.

Para este tipo de actividades se creó una herramienta que permite una automatización de

mayor profundidad, que permite automatizar las tareas de carga y medición.

La agenda permite al investigador planificar la actividad que desea que se haga, en cuanto

a carga y medición de la celda con glucosa.

Permitir que el programa se encargue de la carga y medición de forma automática implica

que durante todo el proceso se encuentre en funcionamiento, con el consiguiente consumo de

memoria que le genera al sistema operativo. Es necesario tener en cuenta que la computadora le

otorga a un programa en ejecución una cierta cantidad de memoria volátil, una vez que se excede

el límite de la memoria otorgada, el sistema operativo se encarga de que el programa sea tomado

como un problema y sea cerrado.

Para que la agenda sea una herramienta confiable es necesario evitar este problema. Para

lograrlo se tiene que liberar la memoria volátil que usa el programa de alguna forma. Existen

formas de liberar memoria volátil que son de alta complejidad y escapan a los conocimientos que

se tienen sobre la programación con Delphi.


Una forma sencilla de realizar esto consiste en abrir y cerrar el programa cada cierto

tiempo, con lo que se libera el espacio de memoria volátil. El inconveniente que presenta este tipo

de acción es que se pierden registros volátiles de la gráfica, es decir, no se podrán ver valores

pasados en la gráfica del programa y se tendrá que recurrir exclusivamente al registro generado.

Al considerar el problema junto con la herramienta agenda, es factible colocar una opción

que permita reiniciar el programa dentro de la agenda, de esta forma cuando se plantea el

experimento este evento es tenido en cuenta y permite una fácil solución al problema del

consumo de recursos informáticos.

Para crear la agenda se usa un nuevo “from”, en el que se coloca un cuadro del tipo tabla,

donde se van a colocar todos los parámetros que se desean tener en cuenta para la realización del

experimento, un reloj con la hora actual y la fecha del día, y un calendario.

En la agenda deben llenarse los campos con la fecha y la hora a la que se tiene que

producir el evento correspondiente, cuál es el evento (medición o carga de la celda), factor de

conversión del conversor corriente tensión, y si se desea que se reinicie el programa o no. Como

se ve en la figura 12.21.

Figura 12.21 Agenda.


var

Mango:integer;

begin

Mango:=FindWindow('tdeovel',nil);

if mango=0

then ShowMessage('No se encontro la aplicacion')

else SendMessage(Mango,WM_CLOSE,0,0);

WinExec(PChar('Rs232vm5.exe'),SW_SHOWNORMAL); end.

if reinicia then

begin

reinicia:=false;

MSComm1.PortOpen := false;

shp_abierto.Pen.Color := clGray;

label4.caption:='Puerto Cerrado';

WinExec(PChar('satelite.exe'),SW_SHOWNORMAL); end;

12.2.8 Reinicio del Programa

En la herramienta agenda se decidió que el programa se reinicie de forma automática.

Hacer esto desde un mismo programa escapa a los conocimientos adquiridos en lenguaje Delphi.

Se encontró que una forma simple de resolver el problema es abrir un segundo programa, llamar

al fin del primer programa, que el programa abierto en segunda instancia invoque una apertura

del primer programa y proceda a cerrarse. Con esto queda abierto sólo el primer programa como

si este se hubiera reiniciado solo.

Este tipo de código requiere de llamadas al sistema, estas llamadas son instrucciones que

otorga el sistema operativo para que los programas puedan interactuar con este, como:

WinExec(PChar('satelite.exe'),SW_SHOWNORMAL);

Esta ejecución se realiza una vez que terminan de enviarse los datos al adquisidor, y se

hace previa verificación de un bit que se seteó anteriormente en el sub-menú agenda. El código es

sencillamente:

El programa denominado segundo programa, se creó con el nombre satélite, y cumple la

función descripta anteriormente se hace con el código.

Este programa no lleva interfaz gráfica, por lo tanto, el usuario no percibe su ejecución,

sólo verifica que el programa principal se reinició.

Capitulo 13 Ajustes Finales 98

Fuente de tensión Conocida

Resistencia Patron

AdquisidorA

Capítulo 13

Ajustes Finales

El Siguiente capitulo describe la puesta en marcha del equipo, algunas pruebas y ajustes

para dar fin al equipo y entregarlo a quienes se encargaran de realizar las mediciones

correspondientes.

13.1 Puesta a punto del circuito de Adquisición:

La puesta a punto del adquisidor se realizó conectando el adquisidor a una fuente de

corriente conocida, es decir, se ingresó una corriente conocida en cada factor de conversión y se

procedió a calcular el valor de cada uno de estos factores.

Es posible implementar una fuente de corriente utilizando una fuente de tensión y una

resistencia de un valor elevado (por lo menos 100 veces la resistencia de carga que se conectará a

la fuente) conectada en serie. A esto se le conecta, también en serie, la entrada del adquisidor

(que tiene una impedancia de entrada muy baja cercana a cero), dando como resultado una fuente

de corriente conectada al adquisidor. Se usaron tensiones de alrededor de 1V y hasta 12

resistencias de 10MΩ conectadas en serie, de acuerdo a la escala a medir.

Una vez ajustado el factor en una escala, se puede recorrer el resto de la escala con

corrientes que se mantengan dentro de los márgenes y verificar que se mantiene constante el

factor de conversión. De no ser así, habrá que controlar qué error se comete y asegurarse de que

no supere el 5% de error. Repitiendo el procedimiento en todas las escalas. El esquema de las

conexiones sería el que muestra la figura 16.1

Figura 16.1 Esquema de ajuste

Para realizar esto se utilizó una fuente de tensión genérica, en la que se puede variar la

tensión en pasos de 0,1V. Una imagen de este procedimiento se muestra en la figura 16.2.


Figura 16.2 Ajuste

13.2 Prueba general

Para probar la totalidad del sistema se armó un circuito que simula ser una celda de

glucosa, este se construyó con una serie RC que tiene una constante de tiempo de 220 s. Se

muestra en la figura 16.3:

Figura 16.3 Circuito RC


El diagrama esquemático del circuito que se muestra en la figura 16.3 es el que se muestra

en la 16.4. Este permite cambiar el valor de la constante de tiempo con solo conectar en uno u

otro borne.

Fig. 16.4 Circuito esquemático del circuito de la fig 16.3

El procedimiento de ajuste consiste en aplicar tensión al circuito durante un tiempo de

1100 s., 5 veces la constante de tiempo del circuito. Una vez cargada, se procede a la descarga y

medición del circuito. Se lo deja trabajando durante todas las ganancias del adquisidor; se repite

el procedimiento varias veces programando cargas y mediciones con la programación de la

agenda. La conexión del hardware se muestra en la figura 16.5

Figura 16.5 Hardware conectado

13.3 Medición de la temperatura:

Una vez que comenzaron las mediciones con el adquisidor, los investigadores observaron

que no podían mantener la temperatura de la glucosa constante y, por este motivo, resultaría muy

Borne 1

R4

C1

R5 R3 R2 R1

Bornes de Conexión


interesante medir la temperatura mientras se mide la corriente. Por esta razón, solicitaron la

construcción de un medidor de temperatura que fuera capaz de detectar variaciones de una

décima de grado, y abarcara desde -50 ºC a 100 ºC, permitiendo detectar fácilmente variaciones

de temperatura de un grado centígrado.

Para el diseño del medidor de temperatura se tuvieron en cuenta algunas consideraciones

tales como, que la temperatura varía en forma lenta, por lo que la velocidad del transductor no es

relevante, y que el lugar para medir la temperatura es accesible, por lo que es posible introducir

una sonda.

Con estas consideraciones se decidió el desarrollo de un medidor de temperatura basado

en una resistencia pt100. Este transductor es un transductor resistivo de la temperatura y posee la

cualidad de ser altamente lineal y estable.

El circuito que se desarrolló es el que muestra la figura 16.6.

Figura 16.6 Esquema eléctrico Sensor de temperatura


El circuito consiste en hacer que una corriente estable atraviese por el transductor y medir

la tensión que se genere en este. Una vez conocida la tensión, y sabiendo la corriente que circula

por el transductor, se puede derivar el valor resistivo que posee el transductor y con este la

temperatura a la que se encuentra.

El primer amplificador operacional amplifica diez veces la tensión que se genera en el

transductor. De tal forma que cuando el transductor se encuentra a -50ºC la tensión en la salida

del amplificador va a ser de 1,6 V y cuando la temperatura sea de 100ºC, la tensión de salida va a

ser de 2,77 V, estos datos se desprenden de que la corriente que circula por la pt100 es de 2 mA y

valor ohmico que toma el transductor a esas temperaturas.

Hasta aquí, en la salida del primer operacional, tenemos una tensión que varía entre 1.6V

y 2,77V. El segundo operacional es el encargado de restar 1,6V, con lo que tendremos a la salida

0V para -50ºC, y amplificar en un factor de 4,25, para tener una tensión de aproximadamente 5V

cuando la temperatura esté en los 100 ºC.

En la figura 16.7 se pude ver el circuito de la fuente de corriente de 2 mA. El valor de esta

corriente fue elegido de tal forma que se generaran tensiones que fueran compatibles con el

conversor analógico a digital que se utiliza para la medición de la corriente, y que no produjera

un auto calentamiento en la pt100.

Figura 16.7 Circuito eléctrico de la fuente de corriente


Tensiones vs Temperatura

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

5

-50 0 50 100

Temperatura

Ten

sio

n d

e sa

lida

El resultado de la calibración del medidor de temperatura es el que se muestra en la figura

16.8.

Figura 16.8 Grafico de la tensión de salida del medidor de temperaturas

Una vez completado el medidor de temperatura se modificaron todos los programas, el del

microcontrolador y el software de la PC para que los valores de temperatura convertidos en

tensión sean adquiridos y graficados junto con la corriente.

Anexo I 104

Anexo I

Expresiones útiles en el trabajo con Dieléctricos La relación existente entre el campo eléctrico macroscópico y el vector de

polarización es la siguiente:

[2.3] Donde ε0 es la permitividad dieléctrica del vacío y χ e es la susceptibilidad eléctrica. Por otra parte, se define el vector desplazamiento eléctrico de la forma:

[2.4]

Ahora bien, al sustituir en la expresión [2.4] el valor de la polarización tenemos

la siguiente relación entre el campo externo y el vector desplazamiento:

[2.5] Donde la constante dieléctrica absoluta o permitividad dieléctrica del medio se define mediante la expresión

[2.6]

De modo que, la relación existente entre el vector desplazamiento y el campo eléctrico vendrá dada por:

[2.7]

Supongamos ahora la aplicación de un campo dependiente del tiempo sobre el material dieléctrico. Dicho campo puede expresarse como:

[2.8]

De igual manera, tenemos que el vector desplazamiento correspondiente seguirá la siguiente ecuación:

[2.9] Siendo φ el desfase entre ambos campos.

Por otra parte, al tener en cuenta la expresión [2.7] se deduce la siguiente

relación: [2.10]

Donde ( )ωε *

es la permitividad dieléctrica compleja que depende de la frecuencia:

[2.11] ( )ωε ' y ( )ωε '' representan respectivamente los términos de dispersión y absorción.

Son individualmente funciones dependientes de la frecuencia del campo que se aplica.

EP e

rr••= χε 0

PEDrrr

+•= 0ε

( ) ED e

rr•+•= χε 10

( )eχεε +•= 10

EDrr

•= ε

tjeEE ω•= 0

rr

( )φω +•= tjeDD 0

rr

( ) 0*

0 EeD jrr

•=• ωεφ

( ) ( ) ( )ωεωεωε ''' •−= j

Glosario informático 105

Glosario Informático

Los fuertes conceptos informáticos asociados al capitulo 8 y 12, hizo necesario

anexar al presente informe un glosario de términos y conceptos informáticos, donde se

encuentran las ideas que se consideran relevantes para el fin de este informe.

Pila o “Stack” (6):

Una pila (stack en inglés) es una lista ordinal o estructura de datos en la que el

modo de acceso a sus elementos es de tipo LIFO (del inglés Last In First Out, último en

entrar, primero en salir) que permite almacenar y recuperar datos.

En cada momento, sólo se tiene acceso a la parte superior de la pila, es decir, al

último objeto apilado (denominado TOS, Top of Stack en inglés). La operación retirar

permite la obtención de este elemento, que es retirado de la pila permitiendo el acceso al

siguiente (apilado con anterioridad), que pasa a ser el nuevo TOS.

La pila de llamadas es un segmento de memoria que utiliza esta estructura de

datos para almacenar información sobre las llamadas a subrutinas actualmente en

ejecución en un programa en proceso.

Cada vez que una nueva subrutina es llamada, se apila una nueva entrada con el

punto de retorno al que regresar cuando esta subrutina termine (para volver a la

subrutina anterior y continuar su ejecución después de esta llamada).

Segmentación (7):

La segmentación (en inglés pipelining) es un método por el cual se consigue

aumentar el rendimiento de microprocesadores

Repartir o segmentar equitativamente una instrucción hace que esa frecuencia

sea la óptima a costa de más área para el almacenamiento o registro de los datos

intervinientes y de un retraso o latencia (en ciclos de reloj) en la salida del resultado

equivalente al número de segmentaciones o registros realizados.

La ventaja primordial de este sistema es que, una vez el pipe está lleno, es decir,

después de una latencia de cuatro en la figura 4.2, los resultados de cada comando

vienen uno tras otro cada flanco de reloj y sin latencia extra por estar encadenados

dentro del mismo pipe. Todo esto habiendo maximizado la frecuencia máxima de

trabajo.


Figura 4.2 Detalle de la segmentación de instrucciones.

La segmentación de instrucciones consiste en descomponer la ejecución de cada

instrucción en varias etapas para poder empezar a procesar una instrucción diferente en

cada una de ellas y trabajar con varias a la vez.

En el caso del procesador DLX podemos encontrar las siguientes etapas en una

instrucción:

IF: búsqueda

ID: decodificación

EX: ejecución de unidad aritmético lógica

MEM: memoria

WB: escritura

Cada una de estas etapas de la instrucción usa en exclusiva un hardware

determinado del procesador, de tal forma que la ejecución de cada una de las etapas en

principio no interfiere en la ejecución del resto.


En el caso de que el procesador no pudiese ejecutar las instrucciones en etapas

segmentadas, la ejecución de la siguiente instrucción sólo se podría llevar a cabo tras la

finalización de la primera. En cambio, en un procesador segmentado, salvo excepciones

de dependencias de datos o uso de unidades funcionales, la siguiente instrucción podría

iniciar su ejecución tras acabar la primera etapa de la instrucción actual.

Compilador (8):

Un compilador es un programa informático que traduce un programa escrito en

un lenguaje de programación a otro lenguaje de programación, generando un programa

equivalente que la máquina será capaz de interpretar. Usualmente, el segundo lenguaje

es código máquina, pero también puede ser simplemente texto. Este proceso de

traducción se conoce como compilación.

Permite traducir el código fuente de un programa en lenguaje de alto nivel, a

otro lenguaje de nivel inferior (típicamente lenguaje máquina). De esta manera, un

programador puede diseñar un programa en un lenguaje mucho más cercano a como

piensa un ser humano, para luego compilarlo a un programa más manejable por una

computadora.

BCPL:

Es la sigla en inglés de Basic Combined Programming Language (Lenguaje de

Programación Básico Combinado). Fue diseñado por Martin Richards de la Universidad

de Cambridge en 1966 debido a las dificultades experimentadas con el lenguaje de

programación CPL durante los años 60. El primer compilador implementado fue escrito

en 1967. El lenguaje fue descrito por primera vez en un proyecto presentado en una

conferencia informática en 1969. Años después, Dennis Ritchie lo utilizó como base

para desarrollar B (que a su vez, más tarde daría lugar al popular lenguaje de

programación C).

Lenguajes de programación: Clasificación de niveles (8):

La clasificación de los niveles de programación viene dada por el nivel de

abstracción que se puede realizar, en el código fuente, desde la máquina que luego

ejecutará este código. Es decir, un nivel bajo sería teniendo en cuenta cada parte del

microprocesador o sistema que ejecute el código, mientras que un nivel mas alto sería

aquel que es independiente del sistema, donde el programador realiza su programa sin

tener en cuenta al sistema o procesador con que se va a ejecutar su código.

Lenguajes de Bajo nivel:

Bajo nivel es el que proporciona poca o ninguna abstracción del

microprocesador de un ordenador. Consecuentemente es fácilmente trasladado a


lenguaje de máquina. Existe una relación de uno a uno con el lenguaje de máquina, lo

que hace posible pasar de un código a otro.

Lenguajes de Nivel Medio:

La existencia de este nivel de programación es discutida por los entendidos en la

materia, pero, si este nivel existiera, definitivamente el lenguaje de programación C se

encontraría en este nivel ya que tiene cierta abstracción del procesador, pero también

tiene instrucciones que pueden considerarse de bajo nivel.

Lenguajes de Alto Nivel:

Los lenguajes de programación de alto nivel se caracterizan por expresar los

algoritmos de una manera adecuada a la capacidad de interpretación humana, en lugar

de a la capacidad ejecutora de las máquinas.

Una limitación de los lenguajes de alto nivel es que se requiere de ciertos

conocimientos de programación para realizar las secuencias de instrucciones lógicas.

Los lenguajes de muy alto nivel se crearon para que el usuario común, sin

conocimiento alguno de programación estructurada o algún otro tipo de programación,

pudiese solucionar el problema del procesamiento de datos de una manera más fácil y

rápida.

BASIC:

Es un lenguaje de programación que originalmente fue desarrollado como una

herramienta de enseñanza. Se diseminó entre los microordenadores hogareños a partir

de la década de 1980, y sigue siendo muy popular hoy en día, en muchos dialectos

bastante distintos del original.

API:

Una API representa una interfaz de comunicación entre componentes software.

Se trata del conjunto de llamadas a ciertas bibliotecas que ofrecen acceso a ciertos

servicios desde los procesos y representa un método para conseguir abstracción en la

programación, generalmente (aunque no necesariamente) entre los niveles o capas

inferiores y los superiores del software. Uno de los principales propósitos de una API

consiste en proporcionar un conjunto de funciones de uso general. Por ejemplo, para

dibujar ventanas o íconos en la pantalla. De esta forma, los programadores se benefician

de las ventajas de la API haciendo uso de su funcionalidad, evitándose el trabajo de

programar todo desde el principio.


PASCAL:

Pascal es un lenguaje de programación desarrollado por el profesor suizo

Niklaus Wirth a finales de los años 60. Su objetivo era crear un lenguaje que facilitara el

aprendizaje de la programación a sus alumnos. Sin embargo, con el tiempo, su

utilización excedió el ámbito académico para convertirse en una herramienta para la

creación de aplicaciones de todo tipo.

Pascal se caracteriza por ser un lenguaje de programación estructurado

fuertemente tipificado. Esto implica que:

1. El código está dividido en porciones fácilmente legibles llamadas

funciones o procedimientos. De esta forma, Pascal facilita la utilización de la

programación estructurada en oposición al antiguo estilo de programación

monolítica.

2. El tipo de datos de todas las variables debe ser declarado previamente

para que su uso quede habilitado.

Objetos:

En el paradigma de programación orientada a objetos, un objeto se define como

la unidad que en tiempo de ejecución realiza las tareas de un programa.

Estos objetos interactúan unos con otros, en contraposición a la visión

tradicional en la cual un programa es una colección de subrutinas (funciones o

procedimientos), o simplemente una lista de instrucciones para el computador. Cada

objeto es capaz de recibir mensajes, procesar datos y enviar mensajes a otros objetos de

manera similar a un servicio.

.NET:

Es un proyecto de Microsoft para crear una nueva plataforma de desarrollo de

software con énfasis en transparencia de redes, con independencia de plataforma de

hardware y que permita un rápido desarrollo de aplicaciones. Basado en ella, la empresa

intenta desarrollar una estrategia horizontal que integre todos sus productos, desde el

sistema operativo hasta las herramientas de mercado.

Conclusiones 110

Conclusiones

La realización de este trabajo me dio la oportunidad de aplicar los conocimientos

adquiridos así como también de aprender a trabajar en un equipo interdisciplinario en la

búsqueda de la solución.

La resolución de la situación planteada fue ardua y laboriosa, se plantearon

muchas formas posibles de obtener los resultados deseados, la selección de algunos

elementos se baso en los conocimientos obtenidos durante mi formación académica,

otras selecciones se hicieron a partir de conocimientos obtenidos fuera del ámbito

académico de la facultad, mientras que otros se tuvieron que adquirir desde cero durante

el desarrollo del trabajo.

Este trabajo me deja muchos conocimientos, desde el punto de vista técnico, ya

que se logro el objetivo deseado de automatizar la medición adquiriendo nuevos

conocimientos en el camino. Desde el punto de vista interdisciplinario, tratando de

comunicar y expresar ideas a profesionales de otras áreas, entender sus planteos y saber

responder a sus inquietudes.

Índice

111

Bibliografía

Libros

[1] “Permitividad y Relajación Dieléctrica. 1 ed”. J. Raul GRIGERA, GRIGERA,

JOSE RAUL, La Plata : Departamento de Biofísica, IMBICE, 1981.

[2] “Sensores y acondicionadores de señal” Ramón Pallas Areny, Marcombo, 2007

[5]“Física de dieléctricos”, J. M. Albella Martín y J. M. Martínez Duart, Marcombo,

(1984).

[6]. “Dielectric Relaxation”, V. Daniel, Academic Press, (1967).

Papers:

[7] “Molecular mobility and ageing of sugar glasess”, J. Raul Grigera, Viviana Bolziocco, Scince Direct -IFLYSIB-UNLP-CONICET-CIC, La Plata

Publicaciones [3] Universidad de Zaragoza departamento de física aplicada teórica. “http://www.unizar.es/” [4] Universidad de Zaragoza departamento de física aplicada. “http://www.unizar.es/”

Apuntes de Clases [8] Campos y Ondas. Profesora Ing. Beatriz BARBIERI [9] Teoría de circuitos II. Profesor Ing. Jorge Luís AGÜERO [10] Control y Servomecanismos. Profesor Dr. Miguel Ángel MAYOSKY [11] Medidas Eléctricas [12] Circuitos Electrónicos I [13] Introducción a los circuitos lógicos y digitales [14] Circuitos digitales y microprocesadores [15] Arquitectura de Computadores I [16] Arquitectura de Computadores II [17] Programación, algoritmos y estructura de datos

Empresas [18] Atmel [19] Freescale Semiconductors [20] Microchip semiconductores

Trabajos Finales [21] “Nuevas Técnicas de Biofeedback para tratamiento de discapacidad y

munusvalía”, C. Lagraña y E. Yedynak. Directores: Ing A. Laquidara e Ing. A.Bava.

Índice

112

Índice

Pág Capítulo 1 1 Introducción a las Mediciones Dieléctricas

1.1 Estudios: 1 1.2 Estudio que se pretende realizar con el equipo 2

Capítulo 2 3 Bases para el estudio de dieléctricos

2.1 Polarización y constante dieléctrica. 3 2.2 Polarización de dieléctricos 3 2.3 Algunas relaciones fundamentales 4 2.4 Fenómenos de relajación dieléctrica: modelo de Debye. 4 2.5 Analogía eléctrica con el modelo de Debye 7 2.6 Diagrama Circular: 9 2.7 Influencia de múltiples tiempos de relajación: 10

Capítulo 3 13 Aspectos Prácticos en el estudio de Dieléctricos

3.1 Análisis general para el estudio de dieléctricos 13 3.2 Estudio de glucosa en estado de vitrificación: 14 3.2.1 Métodos de estudio 15 3.2.1.1 En dominio de la frecuencia: 15 3.2.1.2 En el dominio del tiempo: 15 3.3 Análisis para el desarrollo práctico 16 3.4 Historial del trabajo realizado previamente en el IFLySiB 17

Capítulo 4 20 Análisis de Automatización

4.1 Primera aproximación 20 4.2 Características generales 21

Capítulo 5 23 Análisis de Bloques: La llave

5.1 Llaves de estado sólido: 23 5.2 Relé: 25

Capítulo 6 28 Análisis de Bloque: Circuito de medida

6.1 Rangos: 28 6.2 Posibles circuitos de adaptación de la señal 28 6.2.1 Circuito basado en un opto acoplador: 28 6.2.2 Circuito Basado en la medición del campo magnético generado

por la corriente 30 6.2.3 Convertidor de Corriente tiempo 32 6.2.4 Circuito Convertidor Corriente Tensión 34 6.3 Detalles del adaptador de señal elegido 35 6.3.1 Utilización de un transistor MOSFET 36 6.3.2 Utilización de un reed relé 36 6.4 Conversión de la señal adaptada 38

Capítulo 7 39 Módulo de control

Índice

113

7.1 Forma de realizar el control 40 7.2 Elección del microcontrolador 40 7.2.1 Atmel 41 7.2.2 Freescale 41 7.2.3 Microcontroladores de la marca Microchip 42 7.2.4 Elección del microcontrolador 43 7.4 Comunicación con la PC 44

Capítulo 8 45 Software de la PC

8.1 Entorno de programación con lenguaje C 46 8.2 Entorno de programación Visual Basic 46 8.3 Entorno de programación Borlan Delphi 48 8.4 Elección 49

Capítulo 9 50 Resumen de la sección

9.1 Parte Analógica 50 9.2 Parte Digital 51

Capítulo 10 53 Desarrollo práctico del módulo analógico

10.1 El esquema analógico 53 10.1.1 El amplificador operacional 53 10.1.2 Valores de resistencias posibles 54 10.2 Valores de Resistencias en el mercado 55 10.3 Filtros: 58 10.3.1 Filtro Analógico 58 10.4 Impedancia vista desde la entrada 61 10.5 Circuito Analógico Final 62 10.6 Errores estimados 62 10.7 Fuentes de tensión de la etapa analógica 62

Capítulo 11 65 Desarrollo práctico del módulo Digital

11.1 Esquema Digital 65 11.2 Modo de programación 66 11.3 Lenguajes de alto nivel para microcontroladores PIC 69 11.3.1 PCWHD Compiler 69 11.3.2 PICC 69 11.4 Elección del compilador C 70 11.5 Comunicación con la PC 71 11.6 Fuentes de tensión para el módulo digital 73 11.7 Construcción 74

Capítulo 12 78 Programación del software

12.1 Introducción 78 12.2 Programación con Delphi 78 12.2.1 Barra de menús 80 12.2.2 Barra de estado 81 12.2.3 Cuadro de gráfico Tchart 83 12.2.4 Comunicación serie 88 12.2.5 Recepción de datos 91 12.2.6 Transmisión de datos al adquisidor 94 12.2.7 Agenda 95

Índice

114

12.2.8 Reinicio del Programa 97 Capítulo 13 98 Ajustes Finales

13.1 Puesta a punto del circuito de Adquisición 98 13.2 Prueba general 99 13.3 Medición de la temperatura: 100

Anexo I 104 Expresiones útiles en el trabajo con Dieléctricos

Glosario Informático 105 Conclusiones 110 Bibliografía 111

Trabajo Final Anibal Corrigido Rev7 Final

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