Formato a utilizar en la elaboracin de los reportes de prcticas
de
Sensores y transductores Inteligentes Prctica No. 3 Amplificador
de Ganancia 100
S. E. P. D.G.E.S.T.INSTITUTO TECNOLGICO DE ORIZABA
DEPARTAMENTO DE INGENIERAELCTRICA-ELECTRNICA(REA ELECTRNICA)
LABORATORIO DE SENSORES Y TRANSDUCTORESPRCTICA NO. 4SENSOR DE
HUMEDAD
EQUIPO No.: 3INTEGRANTES: DE LA ROSA BARAJAS JUAN SALVADOR
HERNNDEZ CRUZ ANGEL JESS RAMIREZ GUZMN JOVN ALEJANDRO
_________________________________________Vo. Bo. DR. GERARDO
AGUILA RODRIGUEZ
Objetivo(s):
Disear y construir un sistema de sensado de humedad empleando un
circuito oscilador compuesto del C.I. 555 y un convertidor de
frecuencia a voltaje.
I Desarrollo Terico.
I.1 Marco Terico.Sensor por conductividad para humedadSi se
tiene una superficie cualquiera en presencia de una mezcla gaseosa
con vapor de agua, siempre habr cierta cantidad de molculas de agua
presentes en dicha superficie. La presencia de agua permite que a
travs de la superficie circule una corriente, en ello se basan los
sensores por conductividad. En la figura 1, se aprecia la
disposicin de las partes que componen este tipo de sensores.
Ilustracin 1Se dispone de una superficie pulida, no conductora,
sobre la cual se posicionan dos rejillas de oro entrelazadas, sin
tocarse. Segn sea la Hr (humedad relativa) presente, habr una
cantidad de molculas de H2O proporcional a ella. Luego al ser
conectados los alambres de oro a una diferencia de potencial
continua, se producir una corriente que estar en directa relacin
con la cantidad de molculas presentes en la superficie. Se debe
conectar un ampermetro en serie para poder registrar la corriente
generada. La resistencia R, es una medida de seguridad en caso de
cortocircuitos. Basta calibrar el sensor para obtener medidas de
humedad de la mezcla. Al igual que la mayora de los sensores
anteriores se debe proporcionar un flujo de la muestra, para que la
medicin sea vlida. Este sensor no es muy til, dado que la
superficie puede ensuciarse, y no se obtiene un rango de medicin
grande. El diagrama que ilustra las relaciones entre las variables
involucradas, es similar al de la figura 2. Solo cambia la pelcula
higroscpica por una superficie no conductora.
Ilustracin 2Circuito oscilador con TL081Un oscilador es,
bsicamente, un amplificador al cual se le aplica una
retroalimentacin positiva, con lo que es capaz de regenerarse y dar
a su salida una seal peridica. La Figura 1 muestra el diagrama de
bloques de un oscilador, en el que se observa el smbolo general del
amplificador ms una red de retroalimentacin, generalmente compuesta
de resistencias y condensadores.
Realmente, no todos los amplificadores retroalimentados entrarn
en oscilacin, siendo imprescindible para que lo hagan el cumplir
dos requisitos fundamentales, conocidos con el nombre de criterios
de Barkhausen, los cuales son necesarios y suficientes. Estos
criterios son:
El desfase total sufrido por una seal en lazo cerrado ha de ser
0 o mltiplo de 360. El producto de (ganancia de voltaje del
amplificador) por (factor de atenuacin de la red de
retroalimentacin) ha de cumplir
1 Ec. 1Si este producto es igual a 1, el resultado es una onda
senoidal pura, la cual degenerar en onda cuadrada para un producto
superior a la unidad.
Oscilador de relajacin.
El circuito tpico del oscilador de relajacin se muestra en la
Figura 2. Se compone bsicamente, de un comparador con histresis de
voltaje de referencia 0, y su voltaje de entrada es el
proporcionado por la carga de un condensador.
Al conectar la alimentacin, el condensador se encuentra
descargado, siendo nulo, por tanto, su voltaje. Como un OpAmp nunca
es ideal, existir un pequeo voltaje offset de salida 2 que, al
aplicarse a la terminal no inversora de entrada, provocar la
saturacin del OpAmp. Suponga, para simplificar, que esta saturacin
es de signo positivo, es decir, 2 vale +. En estas condiciones la
terminal no inversora se encuentra a un potencial de , en la que
representa la relacin
=21+2 Ec. 2
Si 2 es igual a +, el condensador , que inicialmente est
descargado, comenzar a cargarse a travs de 3, y transcurrido un
tiempo determinado, el condensador habr alcanzado un voltaje
ligeramente superior a , siendo, por tanto, mayor el voltaje de la
terminal inversora y provocando una saturacin negativa del OpAmp,
inicindose nuevamente el proceso con polaridades invertidas. Las
formas de onda del voltaje del capacitor y de la salida del
Amplificador Operacional se muestran en la Figura.
Conversor LM2907El LM2907 es un conversor de menor precisin y
menos verstil que el LM331, ya que solo realiza la conversin de
frecuencia en tensin. En su circuito interno incluye: un comparador
de tensin en la entrada con una funcin de histresis, una bomba de
carga como convertidor frecuencia en tensin y un amplificador
operacional con un transistor de salida. El diagrama en bloques del
circuito interno lo observamos en el siguiente diagrama:
Funcionamiento del LM2907La seal de entrada ingresa al teminal
no inversor del AO de entrada produciendo el disparo de la bomba de
carga cada vez que la seal supera los 0 V (observen que el terminal
inversor del AO esta a masa). En este caso la seal de entrada es la
proveniente de un sensor magnetico. Para analizar en detalle el
funcionamiento de la boma de carga deberiamos recurrir al circuito
completo (suministrado por el fabricante en las hojas de datos),
pero no es nuestra intencion describir en detalle los circuitos
internos, sino que tengamos los conocimientos necesarios para
utilizar adecuadamente el circuito integrado. As que solo daremos
una explicacion funcional del bloque.
La bomba de carga trabaja de la siguiente forma: Cada vez que se
dispara la bomba se activara una fuente de corriente que proveer
una corriente saliente del pin 2 y alternante como se muestra en la
figura siguiente. De esta forma la tensin en el pin 2 evolucionar
entre dos valores que son aproximadamente ( ) Vcc y ( ) Vcc (en
realidad entre ( ) Vcc - Vbe y ( ) Vcc Vbe pero veremos que solo
nos interesa la diferencia entre estas dos tensiones). Es decir la
diferencia de tensin en un ciclo de carga y descarga en el pin 2 es
de V = Vcc / 2. Conjuntamente la bomba de carga copia esta misma
fuente de corriente del pin 2 en el pin 3 pero siempre en el mismo
sentido (siempre saliente del circuito integrado). Veamos las
siguientes curvas para aclarar grficamente el funcionamiento:
II Desarrollo Prctico.II.1 Material y equipo a utilizar.
Fuente de voltaje +12V Circuito integrado TL081 Circuito
integrado LM2907 Resistencias Capacitores Sensor de Humedad
Protoboard Osciloscopio Multmetro Digital
II.2 Procedimiento y resultados.1.- Armar el circuito oscilador
con el C.I. TL081 para generar una onda cuadrada con frecuencia de
4.5KHz con un Ciclo de trabajo de aproximadamente 50%.Calculo para
la frecuencia de 4.5KHzR3=1/(4.5KHz)(2.2)(10nF)=10.1KDonde:4.5KHz
es la frecuencia deseada.2.2 es una constante.10nF es para bajar la
impedancia del sensor.
2.- Colocar el sensor de humedad en el lugar del condensador de
10nF en serie. A continuacin de muestra la tabla de dominios del
circuito oscilador con el sensor.
% de HumedadVoltajeFrecuencia
Calibracin62%4.82V460KHz
Prueba 182%4.15V7.5KHz
Prueba 291%3.9V7KHz
Prueba 3100%3.4V6.4KHz
3.- Armar el circuito de convertidor de frecuencia a voltaje con
el C.I. LM2907 al cual se le conectara a su entrada la salida del
circuito oscilador.
4.- Desarrollo de la interfaz de LabView funcionando con el
sensor de humedad.
IV Conclusiones y recomendaciones.
Un sensor de humedad se basa en la variacin de capacitancia de
un cuerpo, lo cual se logra al proveer a un embobinado plano o
rejillas de una superficie con diversas materiales los cuales
causan dicho efecto. Dicha capacitancia es conectada a un circuito
que crea frecuencia a partir de esta variacin, de tal forma que al
humedecer el sistema se aumenta o disminuye la frecuencia.Tal
variacin de frecuencia se interfaza con un convertidor de
frecuencia a voltaje y es este cambio que debe delimitarse a un
mximo de 5V para no daar los pines analgicos del arduino.Tal cambio
es observable en una interfaz grfica en LabView, la cual permite
observar de forma simple y clara en porcentaje la concentracin de
humedad en un entorno.
Cabe sealar que se us un oscilador con amplificadores
operacionales, ya que este circuito nos da una frecuencia de dos
polaridades, negativa y positiva, mientras que el circuito
oscilador propuesto con el integrado 555 era nicamente de una sola
polaridad, por lo que para el circuito convertidor de frecuencia
voltaje, no haba ninguna frecuencia, ya que el 555 solo alterna la
seal en un solo ciclo positivo. Cuando se integr este circuito los
resultados fueron favorables.Se coloc el Sensor de Humedad en serie
con un capacitor para reducir la impedancia del sensor y realizar
mediciones adecuadas.
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