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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Profesor
M en I Serafiacuten Castantildeeda Cedentildeo sera_castanedayahoocommx
cdmunammx
cdmit----personal
CDMIT Responsable del Laboratorio de proyectos en Mecatroacutenica
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Ofrecer al alumno un panorama amplio delas disciplinas de la ingenieriacutea necesarias ysus interacciones para lograr el desarrollode productos de innovacioacuten y desarrollo
tecnoloacutegico a traveacutes de la integracioacuten en undisentildeo mecatroacutenico basado en lasmetodologiacuteas y herramientas devanguardia para la solucioacuten de problemas
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1 Introduccioacuten al disentildeo mecatroacutenico
2 Disentildeo mecaacutenico
3 Disentildeo electroacutenico
4 Control5 Proyecto integral
Horario de asesoriacutea (10 VECES AL SEMESTRE)
Ma y Ju 1330 1530 hrs Lunes y Viernes teoriacutea
Mieacutercoles Laboratorio
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CROSS Nigel
Engineer ing Design Method s
2nd edition
John Wiley amp Sons 1997
FRENCH Vierck
Dib u jo de Ing en ieriacutea
Meacutexico
Mc Graw-Hill 1981
AYALA Aacutelvaro
Normas de dibujo Laboratorio deIngenieriacutea Mecaacutenica Asistido por
Computadora
MeacutexicoFacultad de IngenieriacuteaUNAM 2003
ALCIATORE David
Introduction to Mechatronics andMeasurement System 3th edition
McGraw-Hill 2007
ERONINI-UMEZ-ERONINIDinaacutemica de Sistemas y ControlThomson 2001
NECSULESCU DanMechatronicsPrentice Hall 2002
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Praacutecticas (8-10) 3 ptsPrototipo
i Funcionamiento 50
ii Presentacioacuten 25
iiiDocumentacioacuten 25
Planos o informesi Presentacioacuten (limpieza organizacioacuten distribucioacuten etc) 50
ii Documentacioacuten (informacioacuten de valor) 50
Proyectos (2 proyectos) (2 y 3 ) pts Exaacutemenes (2) 2 pts
Todos los trabajos deberaacuten se entregados en hojas tamantildeo carta
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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen
validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)
Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos
sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se
programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten
realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema
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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de
componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales
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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil
Video Video
PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION
Quiero que sealdquoespectacularrdquo
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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea
mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el
contexto del proyecto en general
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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil
Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull
DAQ
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Ofrecer al alumno un panorama amplio delas disciplinas de la ingenieriacutea necesarias ysus interacciones para lograr el desarrollode productos de innovacioacuten y desarrollo
tecnoloacutegico a traveacutes de la integracioacuten en undisentildeo mecatroacutenico basado en lasmetodologiacuteas y herramientas devanguardia para la solucioacuten de problemas
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1 Introduccioacuten al disentildeo mecatroacutenico
2 Disentildeo mecaacutenico
3 Disentildeo electroacutenico
4 Control5 Proyecto integral
Horario de asesoriacutea (10 VECES AL SEMESTRE)
Ma y Ju 1330 1530 hrs Lunes y Viernes teoriacutea
Mieacutercoles Laboratorio
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CROSS Nigel
Engineer ing Design Method s
2nd edition
John Wiley amp Sons 1997
FRENCH Vierck
Dib u jo de Ing en ieriacutea
Meacutexico
Mc Graw-Hill 1981
AYALA Aacutelvaro
Normas de dibujo Laboratorio deIngenieriacutea Mecaacutenica Asistido por
Computadora
MeacutexicoFacultad de IngenieriacuteaUNAM 2003
ALCIATORE David
Introduction to Mechatronics andMeasurement System 3th edition
McGraw-Hill 2007
ERONINI-UMEZ-ERONINIDinaacutemica de Sistemas y ControlThomson 2001
NECSULESCU DanMechatronicsPrentice Hall 2002
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Praacutecticas (8-10) 3 ptsPrototipo
i Funcionamiento 50
ii Presentacioacuten 25
iiiDocumentacioacuten 25
Planos o informesi Presentacioacuten (limpieza organizacioacuten distribucioacuten etc) 50
ii Documentacioacuten (informacioacuten de valor) 50
Proyectos (2 proyectos) (2 y 3 ) pts Exaacutemenes (2) 2 pts
Todos los trabajos deberaacuten se entregados en hojas tamantildeo carta
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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen
validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)
Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos
sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se
programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten
realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema
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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de
componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales
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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil
Video Video
PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION
Quiero que sealdquoespectacularrdquo
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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea
mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el
contexto del proyecto en general
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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil
Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull
DAQ
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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1 Introduccioacuten al disentildeo mecatroacutenico
2 Disentildeo mecaacutenico
3 Disentildeo electroacutenico
4 Control5 Proyecto integral
Horario de asesoriacutea (10 VECES AL SEMESTRE)
Ma y Ju 1330 1530 hrs Lunes y Viernes teoriacutea
Mieacutercoles Laboratorio
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CROSS Nigel
Engineer ing Design Method s
2nd edition
John Wiley amp Sons 1997
FRENCH Vierck
Dib u jo de Ing en ieriacutea
Meacutexico
Mc Graw-Hill 1981
AYALA Aacutelvaro
Normas de dibujo Laboratorio deIngenieriacutea Mecaacutenica Asistido por
Computadora
MeacutexicoFacultad de IngenieriacuteaUNAM 2003
ALCIATORE David
Introduction to Mechatronics andMeasurement System 3th edition
McGraw-Hill 2007
ERONINI-UMEZ-ERONINIDinaacutemica de Sistemas y ControlThomson 2001
NECSULESCU DanMechatronicsPrentice Hall 2002
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Praacutecticas (8-10) 3 ptsPrototipo
i Funcionamiento 50
ii Presentacioacuten 25
iiiDocumentacioacuten 25
Planos o informesi Presentacioacuten (limpieza organizacioacuten distribucioacuten etc) 50
ii Documentacioacuten (informacioacuten de valor) 50
Proyectos (2 proyectos) (2 y 3 ) pts Exaacutemenes (2) 2 pts
Todos los trabajos deberaacuten se entregados en hojas tamantildeo carta
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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen
validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)
Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos
sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se
programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten
realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema
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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de
componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales
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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil
Video Video
PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION
Quiero que sealdquoespectacularrdquo
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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea
mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el
contexto del proyecto en general
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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil
Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull
DAQ
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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CROSS Nigel
Engineer ing Design Method s
2nd edition
John Wiley amp Sons 1997
FRENCH Vierck
Dib u jo de Ing en ieriacutea
Meacutexico
Mc Graw-Hill 1981
AYALA Aacutelvaro
Normas de dibujo Laboratorio deIngenieriacutea Mecaacutenica Asistido por
Computadora
MeacutexicoFacultad de IngenieriacuteaUNAM 2003
ALCIATORE David
Introduction to Mechatronics andMeasurement System 3th edition
McGraw-Hill 2007
ERONINI-UMEZ-ERONINIDinaacutemica de Sistemas y ControlThomson 2001
NECSULESCU DanMechatronicsPrentice Hall 2002
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Praacutecticas (8-10) 3 ptsPrototipo
i Funcionamiento 50
ii Presentacioacuten 25
iiiDocumentacioacuten 25
Planos o informesi Presentacioacuten (limpieza organizacioacuten distribucioacuten etc) 50
ii Documentacioacuten (informacioacuten de valor) 50
Proyectos (2 proyectos) (2 y 3 ) pts Exaacutemenes (2) 2 pts
Todos los trabajos deberaacuten se entregados en hojas tamantildeo carta
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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen
validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)
Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos
sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se
programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten
realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema
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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de
componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales
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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil
Video Video
PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION
Quiero que sealdquoespectacularrdquo
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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea
mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el
contexto del proyecto en general
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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil
Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull
DAQ
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Praacutecticas (8-10) 3 ptsPrototipo
i Funcionamiento 50
ii Presentacioacuten 25
iiiDocumentacioacuten 25
Planos o informesi Presentacioacuten (limpieza organizacioacuten distribucioacuten etc) 50
ii Documentacioacuten (informacioacuten de valor) 50
Proyectos (2 proyectos) (2 y 3 ) pts Exaacutemenes (2) 2 pts
Todos los trabajos deberaacuten se entregados en hojas tamantildeo carta
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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen
validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)
Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos
sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se
programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten
realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema
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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de
componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales
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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil
Video Video
PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION
Quiero que sealdquoespectacularrdquo
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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea
mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el
contexto del proyecto en general
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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil
Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull
DAQ
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Se formaraacuten equipos de dos personas para el laboratorio Praacutecticas yo proyectos atrasados (1 pt menos por cada diacutea) Las tareas se entregan solamente en el diacutea sentildealado no tienen
validez pero se seleccionaraacute a una persona de forma aleatoria aresolverla (05 pts menos)
Tolerancia de entrada al saloacuten 5 min Salida del laboratorio a tiempo despueacutes de la hora 1 pt menos
sobre la praacutectica Uso de celulares Para la presentacioacuten del proyecto parcial y proyecto final se
programaran las horas de entrega de cada equipo y deberaacuten
realizar un presentacioacuten formal de la solucioacuten realizada asiacute comola bitaacutecora de disentildeo e informe teacutecnico del sistema
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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de
componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales
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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil
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PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION
Quiero que sealdquoespectacularrdquo
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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea
mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el
contexto del proyecto en general
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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil
Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull
DAQ
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Control automaacutetico Circuitos digitales (microcontroladores) Disentildeo Mecaacutenico (planos seleccioacuten de
componentes) CAD CAM Sistemas electroacutenicos lineales
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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil
Video Video
PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION
Quiero que sealdquoespectacularrdquo
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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea
mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el
contexto del proyecto en general
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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil
Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull
DAQ
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Cliente Solo conoce el tipo deproducto que desea Estructura Moacutevil
Video Video
PROBLEMA Meacutetodo de disentildeo SOLUCION
Quiero que sealdquoespectacularrdquo
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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea
mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el
contexto del proyecto en general
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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil
Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull
DAQ
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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El proyecto mecatroacutenico debe contener bienidentificadas las partes de la ingenieriacutea
mecaacutenica electroacutenica de control ycomputacioacuten que lo componen aunqueestas no se encuentren bien acotadas en el
contexto del proyecto en general
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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil
Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull
DAQ
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Primer proyectobull Peacutendulo moacutevil
Proyecto Finalbull cRIObull Smart Camerabull
DAQ
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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ldquoTodo lo que una personapueda imaginar otras podraacutenhacerlo realidadrdquo Julio Verne
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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ldquo Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering
with electronics and intelligent computer control in the design andmanufacturing of industrial products and processesrdquo
Mecatroacutenica teacuterminoconcebido en Japoacuten enlos antildeos 70acutes y se haadoptado por productosldquointeligentesrdquo en realidades una evolucioacuten naturaldel proceso moderno del
disentildeo en ingenieriacutea
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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CONTROL ELECTRONICA
MECAacuteNICA SOFTWARE
PRODUCTOMECATRONICO
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Los disentildeadores de productos mecatroacutenicosdeben crear sistemas mecatroacutenicos muycomplejos que integren correctamentecomponentes eleacutectricos mecaacutenicos einformaacuteticos
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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ActuadoresAcondicionador
de sentildeal deentrada
Sensores
ControlAcondicionador
de sentildeal desalida
Interfaz
Sistema mecaacutenico
Modelo
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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DISENtildeO
No requiere dehabilidades especiales
No es indispensable Disentildeo = Fabricacioacuten
Lo que caracteriza el disentildeo que realizan los ingenieros en elaacutembito de su especialidad es que se emplean meacutetodos yteacutecnicas apropiadas para hacer este proceso maacutes eficiente ypara lograr un producto de mejor calidad todo ello al menorcosto posible
Disentildeo=experiencia +creatividad
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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FabricacioacutenDisentildeo
Industriaelectroacutenica
Antildeos Minutoshoras
La informacioacuten del proyecto se comienza al final cuando eldisentildeo se ha concluido por eso es mejor realizar una descripcioacutendel artefacto que se va ha trabajar (formas dimensiones
materiales colores etc) mientras va avanzando el disentildeo
Tiempo
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Hay que entender los requerimientos del clientehellip
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Planteamientos de problemas que un clientequiere que resuelva
ldquoantes de que termine la deacutecada aterrizar unhombre en la Luna y traerlo de regreso sano y
salvo rdquo La uacutenica restriccioacuten era el tiempoproblema nuevo una sola restriccioacuten y enormesrecursos
Disentildeo de una nueva herramienta Modificacioacuten
en el disentildeo metas vagas y recursos limitados
METAS-RESTRICICONES- CRITERIOS----DISENtildeO
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Meta Llave mezcladora de agua operada a mano
Requerimientos restricciones La llavemezcladora tiene las siguientes caracteriacutesticas
Capacidad 10 Lmin Presioacuten maacutexima 6 bar Presioacuten normal 2 bar Temperatura del agua caliente 60 degC Tamantildeo de la conexioacuten 10mm
Criterios Debe ponerse atencioacuten a la apariencia
La marca comercial de la compantildeiacutea debeexhibirse de manera que resalte El productoterminado debe comercializarse en dos antildeos
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Los problemas bien definidos tiene una metaclara una respuesta correcta y regla deproceder que generaraacuten una respuesta
Las caracteriacutesticas de losproblemas mal
definidos pueden resumirse como No existe formulacioacuten definitiva del problema Cualquier formulacioacuten del problema puede
contener inconsistencias La formulacioacuten del problema depende de la
solucioacuten No existe definicioacuten definitiva del problema
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Herramienta que sirve para documentar todaslas fases de disentildeo y para que todo el equipode trabajo pueda verificar los alcances yavances del proyecto
No se trata de almacenar toda la informacioacutenencontrada o generada del proyecto sinoaquella relevante para llevar a cabo elproceso de disentildeo
La bitaacutecora puede servir para generarreportes de avances del proyecto
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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La persona que busca la certidumbre de
problemas estructurados y bien definidos iexclnotiene alma de disentildeador
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Lo simple es maacutes hermoso
La ley de Murphy se cumple inexorablemente ldquoSi algo puede salir
mal saldraacute malrdquo No existe el disentildeo oacuteptimo sino buenos disentildeos (lo perfecto es
enemigo de lo bueno) Se debe usar siempre que se pueda
componentes estaacutendares
disponibles en el comercio Toda proyeccioacuten de tiempo para obtener el producto se va a quedar
corta El proceso de disentildeo define tanto como el 70 del costo del
producto pero solo contribuye con una fraccioacuten muy menor de este El usuario del producto siempre haraacute todo lo necesario para
malograrlo Que funcione el prototipo es lo maacutes faacutecil que el producto sea
robusto y confiable es lo que cuesta La operacioacuten del producto debe ser faacutecil ojalaacute a prueba de tontos
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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ldquoUna gran cantidad del disentildeo de ingenieriacutea esintuitivo basado en el pensamiento subjetivo Sin
embargo un ingeniero no se conforma con estoUn ingeniero desea probar probar y medir Asiacutecomo ha sido formado y no estaacute contento si nopuede probar algo
ldquo La mejor forma de saber si algo funciona es
probarlordquo
Richard Stevens Disentildeador Industrial
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Un sensor es un elemento de un sistema mecatroacutenico que detecta lamagnitud de un paraacutemetro fiacutesico y lo cambia por una sentildeal que
puede procesar el sistema
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Las mediciones se pueden clasificar un dostipos
1 Mediciones fiacutesicas Presioacuten TemperaturaNivel Vibracioacuten masa densidad etc
2 Mediciones quiacutemicas o de composicioacuten Conductividad Ph concentracioacuten de
oxiacutegeno etc
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Medicioacuten solo para indicacioacuten sonutilizadas para visualizar condiciones dealguna variable
Mediciones de control Son esenciales parala viabilidad econoacutemica seguridad y
funcionalidad de un proceso de fabricacioacuten Mediciones Legales u oficiales Para verificarsi el proceso cumple con las normasestablecidas
Mediciones Medio Ambientales Para
detectar emisiones para proteccioacuten de lagente (convenio de Kioto) Mediciones de seguridad Sirven para
monitorear y evitar condiciones de peligro
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Tarea No1 Sensores
Identificar las variables medidas en un automoacutevil (presioacutenvelocidad nivel etc) y sensores con los que cuenta (efectohall piezoeleacutectrico etc) asiacute como 5 actuadores diferentes
Realizar una tabla de variables sensor actuador identificarel principio de medicioacuten de aquellos sensores complejos
Nota 10 variables como miacutenimo
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Turbiedad en el agua Cantidad de jaboacuten disuelto en agua Presioacuten en la llanta de un auto Velocidad de la llanta de un vehiacuteculo Aceleracioacuten de un vehiacuteculo en sus tres direcciones (horizontal
vertical y lateral) Velocidad de una bala La presencia de un vehiacuteculo en la pluma de un estacionamiento Que una manzana este madura
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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1 Identificar la naturaleza de la medicioacutenrequerida variable a ser medida valornominal rango de valores velocidad demedicioacuten y condiciones del ambiente quelos rodea
2 Identificar la naturaleza de la salidarequerida por el sensor y determinar elacondicionamiento de sentildeal requerido
3 Identificar los posibles sensores tomando
en cuenta factores como rango precisioacutenlinealidad requerimiento de potenciamantenimiento robustez costo etc
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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La sensibilidad de unsensor esta definidacomo la miacutenimaentrada de unparaacutemetro fiacutesico elcual puede provocar uncambio detectable enla salida del sensor
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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El rango de un sensor define los limitesentre los cuales puede variar la entradaesto es el maacuteximo y miacutenimo valor quepuede ser medido por el sensor
Rango = Ymax - l ndashYmin l
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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El error es la diferencia entre el resultado deuna medicioacuten y el valor verdadero de lacantidad que se mide
Error = valor medido ndash valor real
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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El concepto de presicioacuten se refiere al gradode reproductibilidad de una medicioacuten Enotras palabras si exactamente el mismo valorfue medido un nuacutemero determinado de veces
el sensor es exacto
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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La exactitud es el grado hasta el cual unvalor producido por un sistema de medicioacutenpodriacutea estar equivocado Es comuacuten expresarla exactitud como un porcentaje de la salida
de rango total
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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El error de offset de untransductor estaacute definidocomo el valor de salida
cuando la entrada alsensor es cero
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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La linealidad de un transductores es unaexpresioacuten en la cual la curva de un sensordifiere de una curva ideal la linealidad se
expresa en teacuterminos de porcentaje de nolinealidad el cual se define como
DondeDin (max) maacutexima desviacioacuten a la entrada
IN fs es la maacutexima entrada a escala completa
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Los transductorespueden producirdistintas salidas de
la misma magnitudque se mide sidicha magnitud seobtuvo mediante un
incremento oreduccioacuten continuo
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Los sensores no cambian su salidainmediatamente cuando al entrada cambia existeun tiempo de respuesta en el que el sensorproduce la salida
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Los teacuterminos repetibilidad yreproducibilidad se utilizan para describir lacapacidad del transductor para producir lamisma salida despueacutes de aplicar varias
veces el mismo valor de entrada
Repetibilidad = ( val Max ndash val Min obtenido)rango total x 100
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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La estabilidad de un transductor es sucapacidad para producir una salida cuando seemplea para medir una entrada constante enun periodo
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Cuando un sensor que produce una salidaeleacutectrica se vincula con un circuitoelectroacutenico es necesario conocer laimpedancia de salida dado que esta se va a
conectar en serie o en paralelo a dichocircuito
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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El grado de proteccioacuten IP corresponde al grado de proteccioacuten de lasenvolventes para materiales eleacutectricos seguacuten las normas EN 60 529 y IEC 529
El coacutedigo IP estaacute formado por dos nuacutemeros caracteriacutesticos (por ejemplo IP55) a los que se puede antildeadir una letra cuando la proteccioacuten real de laspersonas contra el acceso a las partes peligrosas sea mejor que la queindica la primera cifra (por ejemplo IP 20C)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
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SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Ponderacioacuten -2-10+1+2
-2 el peor +2 el mejor
ObjetivoImportancia
(0-100) Porcentaje Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
Sensibilidad + 50 9 2 1 1
Rango + 60 11 -1 2 1
Error - 70 13 0 -1 2
Presicioacuten + 65 12 0 0 -1
Exactitud + 50 9 -1 2 -2
Resolucioacuten + 55 10 -1 2 1
Offset - 10 2 -2 1 -1
Linealidad - 75 14 0 1 2
Tiempo de respuesta - 40 7 -2 -2 2
Costo - 80 14 0 -2 -1
TOTALES 555 100 -030 110 050
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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bullNo linealesbullResolucioacutenbullVariaciones con respecto a TbullMomento para provocarmovimiento
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
2-3-1-01-3-2-0
Video
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Dispositivo queconvierte movimientoen una secuencia depulsos digitales
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Criteriosdeseleccioacuten
Acondicionadorde sentildeal
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Amplificacioacuten Los amplificadores aumentan el nivel de la sentildealde entrada para igualar el rango del convertidoranaloacutegico a digital (ADC) y de esta maneraaumentar la resolucioacuten y sensibilidad de lasmedidas Ademaacutes el usar acondicionamiento desentildeales externo ubicado cerca del la fuente de
sentildeal o transductor mejora el ratio de sentildeal-a-ruido elevando el nivel de sentildeal antes de se veaafectada por el ruido ambiental
Atenuacioacuten Atenuacioacuten el opuesto de amplificacioacuten esnecesario cuando los voltajes que seraacutendigitalizados estaacuten fuera del rango de entrada deldigitalizador Esta forma de acondicionamiento desentildeales disminuye la amplitud de la sentildeal deentrada de tal manera que la sentildeal condicionadaestaacute dentro del rango ADC La atenuacioacuten esnecesaria para medir altos voltajes
Aislamiento Los dispositivos de acondicionamiento de sentildealesaislados pasan la sentildeal de su fuente al dispositivode medida sin una conexioacuten fiacutesica usando teacutecnicasde transformador oacutepticas o de acoplamientocapacitivo Ademaacutes de romper los lazos de tierra
el aislamiento bloquea picos de alto voltaje yrechaza alto voltaje en modo comuacuten y asiacute protegea los operadores y el valioso equipo de medida
Multiplexado Con el multiplexado un sistema de medida puedeenrutar en secuencia muacuteltiples sentildeales a un solodigitalizador ademaacutes de brindar una manerarentable de incrementar la cuenta de canales delsistema Normalmente se necesita multiplexadopara todas las aplicaciones de muchos canales
Filtrado El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de uncierto rango de frecuencia Casi todas lasaplicaciones de adquisicioacuten de datos estaacuten sujetasa ciertos niveles de ruido de 50 oacute 60 Hzproducidos por liacuteneas de potencia o maquinariaLa mayoriacutea de los acondicionadores de sentildealesincluyen filtros de paso bajo especiacuteficamentedisentildeados para brindar maacuteximo rechazo de ruidode 50 a 60 Hz
Excitacioacuten Algunos transductores requieren de excitacioacutenPor ejemplo galgas extensiomeacutetricas termistoresy RTDs requieren sentildeales externas de excitacioacutende voltaje o corriente Las medidas de RTDs ytermistores generalmente se toman con una fuentede corriente que convierte la variacioacuten enresistencia a un voltaje que puede ser medido Lasgalgas extensiomeacutetricas que son dispositivos demuy baja resistencia generalmente son usadas en
la configuracioacuten de puente Wheatstone con unafuente de excitacioacuten de voltaje
Compensacioacuten de unioacuten friacutea La compensacioacuten de unioacuten friacutea es una tecnologiacuteaque se requiere para medidas exactas determopares Cada vez que un termopar esconectado a un sistema de adquisicioacuten de datosusted debe saber la temperatura que hay en elpunto de conexioacuten (ya que esta unioacuten representaotro termopar al medir y generamente inyecta un
desfase a su medida) para calcular la temperaturareal que su termopar estaacute midiendo
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Cual seriacutea el mejor acondicionador de sentildealpara una celda de carga (strain gauge) conresistencia nominal de 3000 Ohms y requiereser conectado al DAC de un microcontrolador
el cual puede realizar conversiones de 0-5Volts
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Strain Gauges son dispositivos semiconductoresen los cuales la resistencia varia con ladeformacioacuten
GF = ΔRR) ΔLL) = ΔRR)ε
El factor de medida GF para los StraingGauges maacutes comunes es de GF=2
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Es claro que cuando la relacioacuten deR1R2=R3R4 el voltaje de salida escero
Si estas condiciones se cumplen sedice que el puente esta balanceado
Cualquier cambio en alguna de lasresistencias provocara un voltajediferente de cero en las terminales delpuente
iquest Y despueacutesdel puente
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Los sensores pueden ser clasificados en
Sensores autoexitados Pueden no necesitarfuente externa de tensioacuten o de corriente para
poder ser leiacutedos por el sistema (EjemploTermopares)
Sensores excitados exteriormente Son
sensores que necesitan fuente dealimentacioacuten (Strain Gauges RTD etc)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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ldquoResulta praacutecticamente imposible lograrimplementar un ambiente o entorno libre deruido eleacutectrico oacute electromagneacutetico rdquo
pero en la praacutectica existen soluciones para
controlar y eliminar casi completamente elruido usar cable blindado o de par trenzadopromediar la medicioacuten filtrar la sentildeal o haceruna conexioacuten diferencial de bajas sentildeales detensioacuten al sistema de adquisicioacuten de datos
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Para analizar como reducir el ruido y con queacute
teacutecnicas primero es conveniente estudiar elorigen del mismo y como afecta a la sentildeal delsensor
Ruido de origen capacitivo o acoplamientocapacitivo baacutesicamente es ruido producido porlas cargas electrostaacuteticas este ruido acoplacapacitivamente con el sensor con el
acondicionador de sentildeal o con el cable que uneal sistema de adquisicioacuten de datos Ruido de origen magneacutetico o acoplamiento
mag neacutetico Corrientes inducidas que generaninterferencias oacute disturbios en los conductoresde las sentildeales por eso es importante enviar porbandejas separadas cables de energiacutea y desentildeal
Lazos de tierra Otras fuentes de transitorios de tensioacuten Ruido
puede aparecer directamente en el cableado dela sentildeal del sensor al sistema de adquisicioacuten dedatos como puede ser EMI (InterferenciaElectromagneacutetica) la cual provieneprincipalmente de los radiotransmisores
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Blindaje Para disminuir oacute eliminar lainterferencia producida por el acoplamientocapacitivo y para ayudar a disminuir la EMI Elblindaje tiene que ser conectado a la tierra en
el extremo de las liacuteneas de informacioacuten oacondicionador de sentildeal pero tener cuidadode no formar lazos de tierras por lo que solohay que conectar la tierra en un solo punto
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Cable de par trenzado En muchos casos esimposible poner blindaje en un solo punto atierra por ejemplo cuando el cable tieneblindaje expuesto Juntando los pares y
trenzaacutendolos al azar se anulan entre siacute lasdiferencias e potencial o voltajes inducidos enel cable cuando se el mismo se encuentra enpresencia de un campo magneacutetico
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Aislacioacuten La aislacioacuten entre las distintasetapas entre las distintas etapas de unsistema de adquisicioacuten de datosConceptualmente la aislacioacuten se puede definir
como la separacioacuten de una sentildeal eleacutectrica deotra para prevenir interacciones no deseadasentre ambas sentildealesOtra finalidad de la aislacioacuten es la de
proteccioacuten de los sistemas de adquisicioacuten dedatos
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Conexioacuten diferencial Los amplificados operacionales cuandotrabajan con una entrada diferencial suelentener un muy elevado CMRR que idealmentetenderiacutea a infinito Esto significa que lassentildeales que se inducen por igual a ambosconductores de la entrada del AmplificadorOperacional no sean amplificadas de loAnterior se concluye que otra forma de evitar el
ruido es usar acondicionadores de sentildeal conentradas diferenciales o tarjetas de adquisicioacutende datos con entrada diferencial
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Meacutetodos por hardware Filtros pasivos Filtrosactivos Meacutetodos por software
Meacutetodo de promediacioacuten como el ruido esaleatorio promediar estos valoresestadiacutesticamente como el ruido es aleatorio se
eliminaraacute uno con otroEl meacutetodo de promediacioacuten puede eliminar el ruidoen proporcioacuten a la raiacutez cuadrada del nuacutemero demuestras promediadas Este tipo de meacutetodo seutiliza para sentildeales de variacioacuten lenta como temperatura humedad presioacuten caudal esfuerzo
etc
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Disentildeo de un control analoacutegico (tipocomparador) Controlar la temperatura en la superficie de
un foco de 12 Volts 1 o 3 Watts
La referencia de temperatura seraacute dada porun potencioacutemetro (0-10 volts) equivalente de0 a 100ordmC
Para disminuir la temperatura utilizar un
ventilador La temperatura de referencia y la medidadeberaacute ser desplegada
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Circuito funcionando con una precisioacuten de plusmn5ordmC Seleccioacuten del sensor indicando la
terminologiacutea usada (matriz de decisioacuten) Acondicionamiento de entrada Acondicionamiento de salida Caacutelculos de los componentes utilizados
Diagrama detallado del circuito utilizado
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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ADC y DAC
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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La mayoriacutea de los controladores sonimplementados en dispositivos digitalesMC computadoras etc
Al tratarse de un sistema digital necesitamosde dos dispositivos muy importantes
SISTEMA DE CONTROL
DIGITAL DACADC
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Para ingresar datos analoacutegicos a un circuitodigital estos se deben transformar en valoresdigitales codificados
1Evaluar numeacutericamente la sentildeal en instantesdiscretos muestreo y obtener una sentildeal
digitalizada
Tiempo
VoltajeSentildealanaloacutegica
Sentildeal digitalizada
Punto muestreado
iquestQueacute tan raacutepido se debe m uestrear
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
httpslidepdfcomreaderfulli-introduccion-sensores-adc-dac-y-actuadores 91110
Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Amplificadores operacionales
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Amplificadores operacionales
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Este teorema dice que es necesario muestrearuna sentildeal a una tasa de maacutes de dos veces lacomponente de frecuencia maacutexima de lasentildeal fsgt2fmax
Donde fs se conoce como tasa de muestreo yel liacutemite en la tasa miacutenima requerida (2fmax)se llama frecuencia
Nyquits
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Si una sentildeal se muestrea menos de dos vecessu componente de frecuencia maacutexima puederesultar un ldquoaliasingrdquo de la sentildeal
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
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p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Los siguientes componentes deben
seleccionarse apropiadamente y aplicarseen esta secuencia para convertir unasentildeal analoacutegica
Amplificador Filtro Circuito de muestreo y retencioacuten Convertidor analoacutegico a digital Procesador
sensor amplificador filtro ADCuestreo PROCESADOR
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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La conversioacuten analoacutegico digital involucra laconcepcioacuten de dos pasos cuantizacioacuten ydecodificacioacuten
La cuantizacioacuten es la transformacioacuten de una
entrada analoacutegica continua en un conjunto deestados de salida discretos
La decodificacioacuten es la asignacioacuten de unapalabra oacute nuacutemero digital a cada estado de
salida
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
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4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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7 111
6 110
5 101
4 100
3 0112 010
1 001
0 000
estadode salida
coacutedigode salida
0-125 125-25 25-375 375-5 5-625 625-75 75-875 875-10
RANGOS DE VOLTAJE ANALOacuteGICO
RESOLUCIOacuteN
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
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p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Unidad de control
Registro deaproximaciones
sucesivas
Latch
DA
SampH c om
p ar a
d or
endstart
Salidadigital
Entradaanaloacutegica
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
7212019 I Introduccioacuten Sensores ADC DAC y Actuadores
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Utilizar un DAC para cambiar la sentildeal dereferencia de un Control de Temperatura
Circuitocomparador dela praacutectica 1
Sensor deTemperatura
Ctocontador
DAC
Arriba
Abajo
Foco
Convertidor DAC
Ventilador
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Resolucioacuten Cantidad de bits o diacutegitosbinarios que acepta su entrada
Exactitud es la maacutexima desviacioacuten conrespecto a la liacutenea recta que une el miacutenimo y
el maacuteximo valor ideales Error de escala Es el error que se obtiene a
fondo de escala con respecto al valor ideal
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Error de offset Es el valor de salida obtenidocuando la entrada es nula Se mide en porcentajedel maacuteximo nominal o en LSB
No linealidad Indica la maacutexima separacioacuten de laliacutenea recta que resulta luego de eliminar loserrores de escala y de offset
No linealidad diferencial Es la maacutexima diferenciaentre un salto a la salida debido a un cambio de1 LSB y el salto ideal
Tiempo de establecimiento
Sobrepico y glitch Derivas con la temperatura
Deriva por envejecimiento
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
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Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
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cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
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Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
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TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Diagrama funcional delactuador
SistemaMecatroacutenico
Actuadores
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
Imaacuten permanente
Devanado Shunt
Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Vm oacute
Im oacute T
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Se usan en gran
cantidad de disentildeosmecatroacutenicos debidoa las caracteriacutesticastorque-velocidadque se pueden lograr
con diferentesconfiguracioneseleacutectricas
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Devanado en serie
Devanado
compuesto
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Tm=KtIm
Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
Catalogo Motores Pittman
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
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Tm torque del motorIm corriente en el motorKt constante de torque
Vm=Ka m
Vm voltaje en el motor
m velocidad angular del motorKa constante eleacutectrica del motor
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
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iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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iquestEl motor se arrancaraacute y aceleraraacute los suficientemente raacutepido
=(Tmotor-Tcarga)J
iquestCuaacutel es la maacutexima velocidad que puede producir el motor iquestCuaacutel es el ciclo de trabajo operativo
TonToff
iquestCuaacutenta potencia requiere la carga iquestQueacute fuentes de energiacutea esta disponible CACD iquestCuaacutel es la inercia de carga iquestLa carga se impulsaraacute a velocidad constante iquestSe requiere control preciso de posicioacuten oacute velocidad
iquestSe requiere una transmisioacuten o engranaje Motorreductor
iquestEs necesario invertir el motor iquestExisten restricciones de tamantildeo y peso
iquestCosto
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Para cada una de las siguientes aplicaciones iquestCuaacutel seriacutea unabuena eleccioacuten de un motor eleacutectrico Justifique su eleccioacutencontestando de ser posible las preguntas anteriores(Servomotor motor de pasos motor de CD motor de AC)
Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Articulacioacuten de brazo roboacutetico para la colocacioacuten de chasis en unaliacutenea de produccioacuten de vehiacuteculos
Ventilador domeacutestico de techo Carretilla eleacutectrica (construccioacuten) Sierra circular (carpinteriacutea) Fresador universal CNC Gruacutea eleacutectrica (2 Toneladas) Actuador de cabeza disco duro Limpiaparabrisas de vehiacuteculo Motor banda transportadora industrial para botellas de refresco Lavadora de ropa (con aspas de agitacioacuten)
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Vm oacute
Im oacute T
2do
1er
3 er
4to
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Acondicionadores de salida
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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Amplificadores operacionales
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con fuente dual
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Amplificadores operacionales para amplificar
corriente con una sola fuente
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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TBJ FET
IGBTInsulated Gate
Bipolar Transistor
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacioacuten de hasta20 KHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones Es usadoen aplicaciones de altas y medias energiacutea como fuenteconmutada control de la traccioacuten en motores
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TBJ FET
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Teacutecnica tradicional Rampa-Comparador Generador de PWM
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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Control PWM para variar el tiempo deencendido del foco de la praacutectica No 2 CT = Ganancia (Tdeseada-Treal)
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