lunes, 9 de marzo de 2009
Universidad Nacional Experimental Politécnica“Antonio José de Sucre”
Vice Rectorado Puerto Ordaz
Departamento de Ingeniería Electrónica
Cátedra: Mediciones Industriales
Laboratorio n° 3
ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES:
ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES:
Ajuste de Cero, Ganancia y Visualización
Integrantes:
Dillyam García C.I: 18.885.797
Carlos Bermúdez C.I.: 18.014.946
Ciudad Guayana, marzo del 2009
Introducción
Cuando estamos midiendo temperatura o cualquier otra variable física, y nos interesa visualizar la medida tomada, debemos de hacerlo a través de un display. Comúnmente se utilizan display siete segmentos o pantallas LCD. Los elementos visualizadores requieren de una entrada digital, y salvo para los sensores digitales, la salida de un sensor es analógica, por lo que nace la necesidad de utilizar un conversor analógico-digital.
Pero no podemos llevar la salida de un sensor a un conversor analógico-digital directamente. Los conversores analógicos-digitales no soportan cualquier rango de valores analógicos a su entrada. Por este motivo nace la necesidad de acondicionar la salida de un sensor.
En el caso de los sensores resistivos, lo que varía es su resistencia. Pero en electrónica, no medimos omhnios, sino voltaje, por lo que es necesario aplicar una tensión al sensor. Para el caso de los sensores resistivos lineales, como el RTD100, la mejor opción es colocar el sensor en un puente de wehatstone y trabajar con el voltaje de salida del puente, es decir, amplificarlo, desfasarlo y ajustarlo al conversor analógico-digital para finalmente poder visualizarlo en un display.
El circuito acondicionador para la termoresistencia, utilizado en esta práctica, consta de un puente de wheastone y un amplificador de instrumentación. En el caso del termistor, se uso un divisor de voltaje, que linealiza la salida del termistor, y un arreglo de amplificadores operacionales. El circuito acondicionador, fue orientado a trabajar con el conversor analógico-digital del PIC 18F4550. El microcontrolador, a su vez, convierte el voltaje a temperatura y lo muestra en una pantalla LCD.
Pero no podemos llevar la salida de un sensor a un conversor analógico-digital directamente. Los conversores analógicos-digitales no soportan cualquier rango de valores analógicos a su entrada. Por este motivo nace la necesidad de acondicionar la salida de un sensor.
En el caso de los sensores resistivos, lo que varía es su resistencia. Pero en electrónica, no medimos omhnios, sino voltaje, por lo que es necesario aplicar una tensión al sensor. Para el caso de los sensores resistivos lineales, como el RTD100, la mejor opción es colocar el sensor en un puente de wehatstone y trabajar con el voltaje de salida del puente, es decir, amplificarlo, desfasarlo y ajustarlo al conversor analógico-digital para finalmente poder visualizarlo en un display.
El circuito acondicionador para la termoresistencia, utilizado en esta práctica, consta de un puente de wheastone y un amplificador de instrumentación. En el caso del termistor, se uso un divisor de voltaje, que linealiza la salida del termistor, y un arreglo de amplificadores operacionales. El circuito acondicionador, fue orientado a trabajar con el conversor analógico-digital del PIC 18F4550. El microcontrolador, a su vez, convierte el voltaje a temperatura y lo muestra en una pantalla LCD.
Objetivos
- Lograr el ajuste del error de cero.
- Lograr el ajuste del error de ganancia.
- Visualizar los resultados en display.
- Elaborar un Datasheet de un equipo de medida.
Fundamento Teórico
· Error de cero y su ajuste
Aun cuando el valor de la variable del proceso esté en el mínimo del rango, donde la salida del instrumento debe ser el valor asociado al cero del rango, el instrumento marca a su salida un valor distinto de cero. Ese valor es el error de cero. En general existen en los instrumentos sistemas para anular, o compensar el error de cero, estos sistemas pueden ser ajustes mediante movimientos en el instrumento o bien por software
En nuestro sistema el error de cero se ajusto en el amplificador diferencial que está presente en ambos circuitos. En este amplificador se produce un error de cero en modo común, un error que se origina cuando las entradas del amplificador son iguales.
La siguiente figura ilustra el amplificador de instrumentación.
FIGURA A
Para el ajuste de cero, se puede sustituir la resistencia R2 que va a tierra por un potenciómetro. La entrada se coloca a su rango mínimo dentro del margen de medida y se varía el potenciómetro hasta obtener cero a la salida.
· Error de ganancia y su ajuste
En un sistema, se tiene una entrada y se espera una salida determinada. El factor que altera la salida con respecto a al entrada se denomina ganancia. La ganancia debe de mantenerse igual en todo el margen de medida, pero no siempre es así. En el siguiente esquema se ilustra este error, y se muestra como la ganancia teórica es distinta a la ganancia experimental.
En un sistema, se tiene una entrada y se espera una salida determinada. El factor que altera la salida con respecto a al entrada se denomina ganancia. La ganancia debe de mantenerse igual en todo el margen de medida, pero no siempre es así. En el siguiente esquema se ilustra este error, y se muestra como la ganancia teórica es distinta a la ganancia experimental.
FIGURA B
Este error puede ajustarse en el circuito acondicionador, haciendo que la ganancia del circuito dependa de una resistencia. En lugar de la resistencia se coloca un potenciómetro, con el valor de resistencia calculado para la ganancia deseada. Al realizar las pruebas se varía el potenciómetro para disminuir el error de ganancia.
· Conversor Analógico digital
Un conversor (o convertidor) analógico-digital (CAD), (ADC) es un dispositivo electrónico capaz de convertir un voltaje determinado en un valor binario, en otras palabras, este se encarga de transformar señales análogas a digitales.
Funcionamiento
Estos conversores poseen dos señales de entrada llamadas Vref+ y Vref- y determinan el rango en el cual se convertirá una señal de entrada.
El dispositivo establece una relación entre su entrada (señal analógica) y su salida (digital) dependiendo de su resolución. Esta resolución se puede saber, siempre y cuando conozcamos el valor máximo que la entrada de información utiliza y la cantidad máxima de la salida en dígitos binarios. A manera de ejemplo, el convertidor análogo digital ADC0804 tiene la capacidad de convertir una muestra analógica de entre 0 y 5 voltios y su resolución es:
Resolución = valor analógico / (2^8)
Resolución = 5 V / 256
Resolución = 0.0195v o 19.5mv.
Resolucion = LSB
Lo anterior quiere decir que por cada 19.5 milivoltios que aumente el nivel de tensión entre las entradas nomencladas como "Vref+" y "Vref-" que ofician de entrada al conversor, éste aumentará en una unidad su salida (siempre sumando en forma binaria bit a bit). Por ejemplo:
Entrada - Salida
0 V - 00000000
0.02 V - 00000001
0.04 V - 00000010
1 V - 00110011
(5 V-LSB) - 11111111
Tipos de conversores usuales
De aproximaciones sucesivas: Es el empleado más comúnmente, apto para aplicaciones que no necesitan grandes resoluciones ni velocidades. Debido a su bajo coste se suele integrar en la mayoría de microcontroladores permitiendo una solución de bajo coste en un único chip para numerosas aplicaciones de control. El conversor realiza una búsqueda dicotómica del valor presente en la entrada. Su principal carencia es el elevado tiempo de conversión necesario.
Flash: este conversor destaca por su elevada velocidad de funcionamiento. Está formado por una cadena de divisores de tensión y comparadores, realizando la conversión de manera inmediata en una única operación. Su principal desventaja es el elevado costo.
Sigma-delta: Tienen una velocidad máxima de conversión baja pero a cambio poseen una relación señal a ruido muy elevada, la mayor de todos.
Otros tipos de conversores igualmente utilizados son: rampa, doble-rampa, etc.
· Conversor Analógico digital
Un conversor (o convertidor) analógico-digital (CAD), (ADC) es un dispositivo electrónico capaz de convertir un voltaje determinado en un valor binario, en otras palabras, este se encarga de transformar señales análogas a digitales.
Funcionamiento
Estos conversores poseen dos señales de entrada llamadas Vref+ y Vref- y determinan el rango en el cual se convertirá una señal de entrada.
El dispositivo establece una relación entre su entrada (señal analógica) y su salida (digital) dependiendo de su resolución. Esta resolución se puede saber, siempre y cuando conozcamos el valor máximo que la entrada de información utiliza y la cantidad máxima de la salida en dígitos binarios. A manera de ejemplo, el convertidor análogo digital ADC0804 tiene la capacidad de convertir una muestra analógica de entre 0 y 5 voltios y su resolución es:
Resolución = valor analógico / (2^8)
Resolución = 5 V / 256
Resolución = 0.0195v o 19.5mv.
Resolucion = LSB
Lo anterior quiere decir que por cada 19.5 milivoltios que aumente el nivel de tensión entre las entradas nomencladas como "Vref+" y "Vref-" que ofician de entrada al conversor, éste aumentará en una unidad su salida (siempre sumando en forma binaria bit a bit). Por ejemplo:
Entrada - Salida
0 V - 00000000
0.02 V - 00000001
0.04 V - 00000010
1 V - 00110011
(5 V-LSB) - 11111111
Tipos de conversores usuales
De aproximaciones sucesivas: Es el empleado más comúnmente, apto para aplicaciones que no necesitan grandes resoluciones ni velocidades. Debido a su bajo coste se suele integrar en la mayoría de microcontroladores permitiendo una solución de bajo coste en un único chip para numerosas aplicaciones de control. El conversor realiza una búsqueda dicotómica del valor presente en la entrada. Su principal carencia es el elevado tiempo de conversión necesario.
Flash: este conversor destaca por su elevada velocidad de funcionamiento. Está formado por una cadena de divisores de tensión y comparadores, realizando la conversión de manera inmediata en una única operación. Su principal desventaja es el elevado costo.
Sigma-delta: Tienen una velocidad máxima de conversión baja pero a cambio poseen una relación señal a ruido muy elevada, la mayor de todos.
Otros tipos de conversores igualmente utilizados son: rampa, doble-rampa, etc.
Descripción del circuito Propuesto
· Termoresistencia
El circuito consta de un puente de Wheatstone seguido de un amplificador de instrumentación. La ganancia del amplificador, depende de una sola resistencia, en la cual se colocó un potenciómetro para hacer el ajuste de ganancia. Para hacer el ajuste de cero, se colocó un potenciómetro como se indica en la figura “A”.
Para el diseño, se estableció que la salida varíe de 0 a 4v. Esto es porque el sensor utilizado puede llegar a medir por encima de los 100ºC. Si se coloca la salida de 0 a 5V, podrían llegarle al conversor un poco más de 5V, si la temperatura llegase a subir por encima de los 100ºC, quemando el conversor del PIC. Para prevenir este problema, se establece que la salida para 100ºC sea de 4V.
La ecuación de salida del puente es:
· Termistor
El diseño del termistor se baso en un circuito linealizador, y un arreglo de OPAMP´s para la ganancia. Para diseñar el circuito linealizador, nos basamos en la potencia que soporta el termistor. La potencia máxima que soporta el termistor es de 75mW. La potencia máxima ocurre para el menor valor que adopta el termistor. Si alimentamos el circuilo linealizador con 5V y establecemos que la potencia máxima sea de 50mW, obtendremos una R0=432.73. Esto nos da una sensibilidad de 2.73, un valor relativamente aceptable para el margen de medida.
A continuación se muestra el circuito implementado. 
El circuito consta de un puente de Wheatstone seguido de un amplificador de instrumentación. La ganancia del amplificador, depende de una sola resistencia, en la cual se colocó un potenciómetro para hacer el ajuste de ganancia. Para hacer el ajuste de cero, se colocó un potenciómetro como se indica en la figura “A”.
Para el diseño, se estableció que la salida varíe de 0 a 4v. Esto es porque el sensor utilizado puede llegar a medir por encima de los 100ºC. Si se coloca la salida de 0 a 5V, podrían llegarle al conversor un poco más de 5V, si la temperatura llegase a subir por encima de los 100ºC, quemando el conversor del PIC. Para prevenir este problema, se establece que la salida para 100ºC sea de 4V.
La ecuación de salida del puente es:
Se fijan los valores de R1 y R2 y R4 para obtener la misma ganancia en ambos brazos del puente y que garantice que la variación minima del termoresistor sea mucho mayor que 2(k+1). Los valores escogidos fueron R1=2.2k, R4=100Ohm y R2=2.2k.
Utilizando la ecuación de Vs se determinan los valores máximos y mínimos del voltaje. En 0ºC, el voltaje será 0V y en 100ºC el voltaje será 0.1890V. Conociendo estos valores, determinamos que la ganancia del amplificador de instrumentación es 21,164. La ecuación del amplificador de instrumentación es:
Utilizando la ecuación de Vs se determinan los valores máximos y mínimos del voltaje. En 0ºC, el voltaje será 0V y en 100ºC el voltaje será 0.1890V. Conociendo estos valores, determinamos que la ganancia del amplificador de instrumentación es 21,164. La ecuación del amplificador de instrumentación es:
Conociendo la ganancia, se asumen R3=R1=2.2k y nos queda que R2=218.21. Para la segunda fase del amplificador de instrumentación, se colocaron todas las resistencias iguales, y un potenciómetro para el ajuste de cero. A continuación se muestra el circuito diseñado.
Nota: La resistencia de 218,21 es un potenciometro para ajustar el error de ganancia.
· Termistor
El diseño del termistor se baso en un circuito linealizador, y un arreglo de OPAMP´s para la ganancia. Para diseñar el circuito linealizador, nos basamos en la potencia que soporta el termistor. La potencia máxima que soporta el termistor es de 75mW. La potencia máxima ocurre para el menor valor que adopta el termistor. Si alimentamos el circuilo linealizador con 5V y establecemos que la potencia máxima sea de 50mW, obtendremos una R0=432.73. Esto nos da una sensibilidad de 2.73, un valor relativamente aceptable para el margen de medida.
A continuación se muestra el circuito implementado.
La salida del divisor de tensión, al ser de tan baja potencia, se le coloca un seguidor de voltaje. La salida mínima del puente es de Vmin=0.56 y la Maxima salida es de Vmax=4.32. De aquí, que la ganancia del amplificador no inversor debe de ser de 0.92. Luego se coloca un amplificador diferencial para poder lograr un ajuste de cero.
Procedimiento Experimental
Con ayuda de una termocupla se estableció la temperatura dentro del cilindro para cada valor desead. Para variar la temperatura se variaba la intensidad del bombillo, con ayuda del potenciómetro. Dentro del cilindro se colocó el termistor y la termoresistencia. A cada extremo de cada instrumento se le conecto un cable que salía del cilindro y conectaba con el circuito acondicionador diseñado para cada una respectivamente. La variable medida se procesaba en el microcontrolador y se mostraba en una pantalla LCD.
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