Capítulo 4 Acondicionamiento y Caracterización de las Señales

 Capítulo 4 Acondicionamiento y Caracterización de las Señales Obtenidas por los Sensores de Presión 4.1 Introducción El acondicionamiento de una señal consiste en la manipulación electrónica de dicha señal,
con los dispositivos adecuados, para obtener rangos de voltajes o corrientes adecuados a las
características del diseño. El acondicionamiento de señales resulta conveniente al momento
de realizar una instrumentación ya que al tener una señal con rangos de voltaje más amplios,
se puede obtener mayor resolución en la medición, además de presentar mayor inmunidad al
ruido en el ambiente de la medición. La caracterización de un sensor consiste en el cálculo de
la ecuación característica de su comportamiento. Esto se refiere a la ecuación que determina
la razón de cambio en la variable de salida, generalmente una variable eléctrica, con respecto
a la variable de entrada, generalmente de índole físico; o viceversa, el cálculo de la razón de
cambio de la variable de entrada al tener cierta señal de salida. La caracterización de los
sensores resulta esencial para la interpolación de valores. Una buena caracterización genera
mediciones con un buen nivel de exactitud.
Capítulo 4
En este capítulo se describe el proceso de diseño de los sistemas de acondicionamiento
para cada uno de los transductores de presión, así como el proceso de obtención de las
ecuaciones características de su comportamiento.
4.2 Proceso de Caracterización y Acondicionamiento de Sensores Como dijimos en el capítulo tres, los sensores de presión elegidos para la instrumentación de
este proyecto nos generaban una señal de voltaje dentro del rango de 1V a 5V dentro de los
rangos de presión que cada uno de los transductores soporta.
Para caracterizar el valor de los sensores de presión, se aplicó una fuerza a un bloque de
metal en la máquina universal y se observó la carga que marcaba el indicador mismo de la
máquina, mientras se registraba el valor de voltaje correspondiente a la salida del sensor.
Una vez realizadas las mediciones, se procedió a obtener las graficas de voltaje contra carga
para comprobar que los sensores fueran lineales. Al comprobar que todos los sensores eran
lineales, se obtuvo la ecuación de la recta para cada uno de los sensores. A estas ecuaciones
se le hizo una manipulación algebraica para que todos los sensores tuvieran un rango de
voltaje de salida de entre 0V y 9V. Se armó el circuito correspondiente para cada uno de los
sensores y se obtuvo el nuevo valor de las ecuaciones de la recta para los sensores mediante
extrapolación. Las señales acondicionadas serán los valores de entrada para la interfaz de
datos para el instrumento virtual, mientras que las ecuaciones obtenidas por la caracterización
de los distintos sensores nos servirá para realizar el acondicionamiento digital de los valores
adquiridos por el instrumento virtual hecho en Labview™.
30
Capítulo 4
4.2.1 Caracterización y Acondicionamiento del sensor SPT4V0030 El sensor SPT4V0030 se utiliza para medir la carga en la escala de 600 kg de carga de la
máquina universal. En la tabla 4.1 se observan las mediciones realizada para dicho sensor al
aplicar una carga de 0 a 600 kg a una probeta de aluminio y registrando los valores de voltaje
correspondiente a la salida del sensor.
Carga (kg)
Voltaje (V)
Carga (kg)
Voltaje (V)
Carga (kg)
Voltaje (V)
Carga (kg)
Voltaje (V)
0
1.205
125
1.56
300
2.04
550
2.734
25
1.27
150
1.63
350
2.182
600
2.872
50
1.355
175
1.699
400
2.32
75
1.423
200
1.764
450
2.46
100
1.496
250
1.904
500
2.598
Tabla 4.1 Mediciones de Carga y Voltaje en el sensor para 600 kg
Con los valores de esta tabla, se construyó una gráfica de voltaje contra carga (figura
4.1). La gráfica se construyó colocando en el eje de la variable independiente (eje x) el rango
de mediciones de voltaje y en el eje de la variable dependiente (eje y) el valor
correspondiente a la carga. Esto con el fin de obtener una ecuación que representara el valor
de la carga correspondiente a cierto valor de voltaje dado por el sensor. La recta de tendencia
lineal obtenida se denota en la gráfica como carga lineal.
31
Capítulo 4
Voltaje/Carga medidos en el sensor SPT4V0030
700
y = 360.87x - 437.21
600
500
Carga
400
CARGA
300
Carga Lineal
200
100
0
-100 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Voltaje
Figura 4.1 Gráfica de Valores obtenidos para el sensor SPT4V0030
Con ayuda de la gráfica generada (figura 4.1) se comprobó la linealidad de la salida del
sensor, por lo que se generó la ecuación de la recta a partir de los datos graficados.
La ecuación de la recta para el sensor a 600 kg es:
360.87
437.21
(4.1)
Se realizó la manipulación algebraica para obtener un rango de valores de entre 0V y 9V.
Para esto, se modificó el valor del voltaje tomando en cuenta los rangos de voltaje de salida
del transductor de presión:
1.205 ·
.
.
5.4 ·
1.205
(4.2)
Sustituyendo este valor de x en la ecuación (4.1) se obtuvo la nueva ecuación de la recta:
66.841
2.3635
(4.3)
32
Capítulo 4
De la ecuación (4.2) se puede observar que el acondicionamiento de la señal consistirá
en una resta y una amplificación con cierta ganancia, por lo que se decidió implementar esta
parte con un amplificador operacional en modo de amplificador diferencial (figura 4.2).
VCC_BAR
V1
15Vdc
R3
0
5.4k
U1
VCC_BAR
3
U2
R2
-
1k
R1
2
OUT
OUT
R4
+
+
1k
1
0
OPAMP
R5
Vin
OPAMP
5.4k
(1.2V - 2.87V)
0
0
Figura 4.2 Diagrama del circuito de acondicionamiento del sensor SPT4V0030
El circuito consta de un seguidor de voltaje y un amplificador operacional UA741 en
configuración de amplificador diferencial. La resistencia variable se ajustó manualmente para
obtener a la entrada del seguidor de voltaje un valor de 1.2V. Cabe mencionar en esta sección
que la configuración de amplificador diferencial consta de 4 resistencias y dos voltajes de
entrada (figura 4.3). El resultado de la salida consiste en la resta de los voltajes de entrada
con cierta amplificación a la salida, dependiendo de los valores de resistencias utilizados.
33
Capítulo 4
Figura 4.3 Amplificador operacional en configuración de amplificador diferencial. [7]
De la figura 4.3, en el caso que R0=R3 y R1=R2:
0
1
1
2
Con la implementación del circuito descrito en la figura 4.2 a partir de un rango de voltajes
de entrada de 1.25V a 2.87V se obtiene a la salida voltajes del rango de 0V a 9 V. Se realizó
la simulación del circuito diseñado y se obtuvieron los rangos de voltaje esperados, como se
observa en la figura 4.4.
10V
5V
0V
1.2V
V(R3:2)
1.4V
V(R4:1)
1.6V
1.8V
2.0V
2.2V
2.4V
2.6V
2.8V
3.0V
V_Vin
Figura 4.4 Simulación del comportamiento para el acondicionamiento del sensor STP4V0030
34
Capítulo 4
4.2.2 Acondicionamiento del sensor SPT4V0300 El sensor SPT4V0300 se utiliza para medir la carga en la escala de 6000 kg de carga de la
máquina universal. En la tabla 4.2 se pueden ver las mediciones realizadas de voltaje y carga
al aplicarle una carga de 0 kg a 6000 kg a una probeta de acero cementado.
Carga (kg)
Voltaje (V)
Carga (kg)
0
1.1
700
100
1.15
200
Voltaje (V)
Carga (kg)
Voltaje (V)
Carga (kg)
Voltaje (V)
1.446
2500
2.335
4250
3.2
800
1.496
2750
2.457
4500
3.32
1.2
900
1.545
3000
2.582
4750
3.44
300
1.249
1000
1.596
3250
2.702
5000
3.57
400
1.298
1500
1.849
3500
2.827
5250
3.69
500
1.348
2000
2.088
3750
2.95
5500
3.81
600
1.4
2250
2.211
4000
3.074
6000
4.059
Tabla 4.2 Mediciones de Carga y Voltaje en el sensor para 6000 kg
Con los valores de esta tabla, se construyó la gráfica de voltaje contra carga para el
comportamiento de este sensor (figura 4.5). Nuevamente, se construyó la gráfica
considerando al voltaje como la variable independiente, para así obtener la ecuación que
describe la carga representada por un voltaje a la salida del transductor.
35
Capítulo 4
Voltaje/Carga para el sensor SPT4V0300
6000
5000
y = 2028.7x - 2235.7
Carga
4000
3000
CARGA
2000
Carga Lineal
1000
0
-1000
0
1
2
3
4
5
Voltaje
Figura 4.5 Gráfica de valores obtenidos para el sensor SPT4V0300
La ecuación de la recta para el sensor a 6000 kg es:
2028.7
2235.7
(4.4)
Se realizó la manipulación algebraica para obtener un rango de valores de entre 0V y 9V.
Para esto, se modificó el valor del voltaje por un factor determinado a base de los rangos
máximos y mínimos dados por el sensor en la escala a trabajar:
1.1 ·
.
.
3.04 ·
1.1
(4.5)
Sustituyendo este valor de x en la ecuación (4.4) se obtuvo la nueva ecuación de la recta:
667.01
4.1958
(4.6)
De la ecuación (4.5) se puede observar que el acondicionamiento de la señal consistirá
nuevamente en una resta y una amplificación con cierta ganancia. Se realizó entonces el
diseño del circuito de acondicionamiento tomando las mismas consideraciones que para el
36
Capítulo 4
sensor anterior. Los valores de resistencias utilizados, así como la disposición de los
componentes se ven en la figura 4.6
VCC_BAR
V1
15Vdc
R3
0
3k
U1
VCC_BAR
3
U2
R2
-
1k
OUT
R1
2
OUT
R4
+
+
1k
1
OPAMP
0
R5
Vin
OPAMP
3k
(1.1V - 4.05V)
0
0
Figura 4.6 Diagrama del circuito de acondicionamiento del sensor SPT4V0300
La resistencia variable se ajustó manualmente para obtener a la entrada del seguidor de
voltaje un valor de 1.1V. Con los ajustes anteriores se obtienen a la salida del circuito un
rango de voltajes de 0 a 9V mientras se tenga una entrada de entre 1.1V y 4V (figura 4.7).
10V
5V
0V
1.0V
V(R3:2)
1.5V
V(R4:1)
2.0V
2.5V
3.0V
3.5V
4.0V
4.5V
V_Vin
Figura 4.7 Comportamiento para el acondicionamiento del sensor STP4V0300
37
Capítulo 4
4.2.3 Acondicionamiento del sensor SPT4V2000 El sensor SPT4V2000 se utiliza para medir la carga en la escalar de 30000 kg de carga de la
máquina universal. En la tabla 4.3 se muestran las mediciones de carga y voltaje realizadas
mediante la aplicación de una carga sobre un bloque de acero.
Carga
(kg)
Voltaj
e (V)
Carga
(kg)
Voltaj
e (V)
Carga
(kg)
Voltaj
e (V)
Carga
(kg)
Voltaj
e (V)
0
1.008
4500
1.342
9000
1.68
13500
2.011
500
1.047
5000
1.381
9500
1.716
14000
2.046
1000
1.086
5500
1.416
10000
1.751
14500
2.085
1500
1.123
6000
1.452
10500
1.787
15000
2.123
2000
1.158
6500
1.491
11000
1.826
25000
2.87
2500
1.196
7000
1.53
11500
1.863
30000
3.2371
3000
1.234
7500
1.563
12000
1.902
3500
1.27
8000
1.601
12500
1.938
4000
1.307
8500
1.64
13000
1.973
Tabla 4.3 Mediciones de Carga y Voltaje en el sensor de 30000 kg
Con los valores obtenidos, se construyó una gráfica de voltaje contra carga (figura 4.8)
De la misma manera con que se realizó el análisis de los sensores anteriores, se definió como
variable independiente al voltaje y como variable dependiente a la carga. Con la gráfica de
los valores se comprobó la linealidad del sensor, tal y como se especifica en la hoja de datos
que provee el fabricante.
38
Capítulo 4
Voltaje/Carga para el sensor SPT4V2000
35000
30000
y = 13465x - 13588
25000
Carga
20000
CARGA
15000
Carga Lineal
10000
5000
0
-5000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Voltaje
Figura 4.8 Gráfica de carga y voltaje obtenidos para el sensor SPT4V2000
La ecuación de la recta para el sensor a 30000 kg es:
13465
13588
(4.7)
Se realizó la manipulación algebraica para obtener un rango de valores de entre 0V y
9V. Para esto, se modificó el valor del voltaje por un factor determinado de acuerdo a los
rangos de voltaje que se midieron para la escala trabajada (de 1V a 3.23V):
1 ·
.
4.03 ·
1.1
(4.8)
Sustituyendo este valor de x en la ecuación (4.7) se obtuvo la nueva ecuación de la recta:
3335
15.387
(4.9)
De la ecuación (4.8) se puede observar que el acondicionamiento de la señal consistirá
nuevamente en una resta y una amplificación con cierta ganancia. El circuito implementado
39
Capítulo 4
para esta sección se puede ver en la figura 4.9. Este consta de la misma técnica de diseño que
para el acondicionamiento de los dos sensores descritos anteriormente.
VCC_BAR
V1
15Vdc
R3
0
4k
U1
VCC_BAR
3
U2
R2
-
1k
R1
2
OUT
OUT
R4
+
+
1k
1
0
OPAMP
R5
Vin
OPAMP
4k
(1V - 3.23V)
0
0
Figura 4.9. Diagrama del circuito de acondicionamiento del sensor SPT4V2000
La resistencia variable se ajustó manualmente para obtener a la entrada del seguidor de
voltaje un valor de 1V. Los rangos obtenidos a la salida del acondicionamiento abarcan
valores de 0V a 9V (figura 4.10), de acuerdo con los valores de la entrada, que van de 1V a
3.23V para la escala de cargas a trabajar.
10V
5V
0V
1.0V
V(R3:2)
1.5V
2.0V
2.5V
3.0V
3.5V
V(R4:1)
V_Vin
Figura 4.10 Comportamiento del acondicionamiento del sensor STP4V2000
40
Capítulo 4
4.3 Resumen del Capítulo Dentro de este capítulo se describió el proceso que se llevó a cabo para la construcción del
sistema de acondicionamiento de cada sensor de carga, y de la caracterización de los valores
obtenidos para, a partir de una señal dada de voltaje de salida en el sensor, se pueda realizar
el procesamiento a la señal para obtener el valor de carga equivalente a la que se está
sometiendo el transductor y por consiguiente, el material de la prueba. Los transductores de
presión son alimentados con una señal de 15Vdc y la señal de salida de cada uno varía en un
rango de entre 1V a 5V, sin tener cada uno de ellos el mismo rango de salida. Esto debido a
que los transductores adquiridos detectan más presión que las escalas a las que se están
trabajando en este proyecto. Una vez acondicionados los sensores, los rangos de voltaje se
ampliaron a un rango de 0V a 9V. Se determinó este límite debido a que el sistema que
adquirirá los datos para convertirlos a señales digitales soporta un voltaje máximo de 10V.
Las ecuaciones carga-voltaje obtenidas para cada uno de los sensores nos servirán para
realizar el procesamiento digital de las señales y desplegar información de la carga de
acuerdo al voltaje de entrada sensado.
41