CD-6022.pdf
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO DE CORRIENTES INDUCIDAS QUE PERMITA LA VISUALIZACIÓN DEL PLANO DE IMPEDANCIA PARA ANÁLISIS DE MATERIALES, DESTINADO AL LABORATORIO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS, DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DE LA EPN PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL COLLAHUAZO SORIA DANIEL IGNACIO [email protected] VILLA TUQUINGA MAURO JAVIER [email protected] DIRECTOR: ING. OSWALDO BUITRÓN [email protected] Quito, diciembre 2014 ii DECLARACIÓN Nosotros, Collahuazo Soria Daniel Ignacio y Villa Tuquinga Mauro Javier, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente. ______________________ Daniel Collahuazo ___________________ Mauro Villa iii CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Collahuazo Soria Daniel Ignacio y Villa Tuquinga Mauro Javier, bajo mi supervisión. ________________________ Ing. Oswaldo Buitrón DIRECTOR DEL PROYECTO __________________________ Ing. Miguel Villacrés CODIRECTOR DEL PROYECTO iv AGRADECIMIENTO A mis padres, hermanas, familiares, amigos y personas que me han ayudado, apoyado y guiado, durante todo el tiempo vivido, y a quienes he conocido en esta etapa que culmino. A la música, pintura, literatura y otras formas de arte que han sido un complemento muy importante en mi vida, especialmente al poeta maldito Charles B. y a sus flores enfermizas. Entre sueños, mitos y leyendas la realidad y la imaginación convergen para crear un mundo a nuestra medida. Daniel C. v DEDICATORIA A mis seres queridos, especialmente a mi padre y a mi madre. Y como dijo Marcel Marceau:……. Daniel C. vi AGRADECIMIENTO En primer lugar quiero agradecer a Dios y a la Madre Dolorosa por fortalecerme en los momentos más difíciles de mi vida tanto personal como académica. También un agradecimiento total a mis padres Juan Villa y María Tuquinga por inculcarme esos grandes valores éticos y morales que guían mi camino. A mis hermanos y a toda mi valiosa familia que siempre me han brindado su apoyo incondicional. Al Ing. Oswaldo Buitrón y al Ing. Miguel Villacrés que nos han ayudado y guiado en todo este proceso de la tesis como director y codirector respectivamente. Y a todos mis amigos y compañeros que he ganado en esta etapa universitaria aquí en la EPN. Mauro Javier Villa T. vii DEDICATORIA Este proyecto de titulación lo dedico a mis padres Juan Villa Y María Tuquinga porque han sido para mí un gran ejemplo de lucha y trabajo, los dos han progresado con sacrificio y perseverancia, dándonos a mí y a mis hermanos el privilegio de tener una educación digna y de calidad. Mauro Javier Villa T. viii CONTENIDO RESUMEN………………………………………………………………...xiii PRESENTACIÓN………………………………………………………….xv CAPÍTULO 1.- INTRODUCCION………………………………1 1.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS………………………………………1 1.1.1 MÉTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS/ EVALUACIONES NO DESTRUCTIVAS…………………………………….2 1.1.1.1 Prueba visual-óptica………………………………………………2 1.1.1.2 Prueba de líquidos penetrantes…………………………………..3 1.1.1.3 Partículas magnéticas……………………………………………..3 1.1.1.4 Radiografía………………………………………………………...3 1.1.1.5 Pruebas ultrasónicas……………………………………………...4 1.1.1.6 Pruebas de emisión acústica……………………………………...4 1.1.1.7 Pruebas de fuga…………………………………………………...4 1.1.1.8 Prueba electromagnética o de corrientes de Eddy……………...4 1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES OBJETO DE PRUEBA EN EL LABORATORIO…………………….6 1.2.1 TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS…………………………….6 1.2.1.1 Material diamagnético…………………………………………….7 1.2.1.2 Material paramagnético…………………………………………...7 1.2.1.3 Material ferromagnético…………………………………………..7 1.2.1.4 Material antiferromagnético……………………………………...8 1.2.1.5 Material ferrimagnético…………………………………………...9 1.2.1.6 Material superparamagnético…………………………………….9 1.2.1.7 Ferritas……………………………………………………………10 1.2.2 TIPOS DE MATERIALES METÁLICOS……………………………..10 1.2.2.1 Materiales ferrosos……………………………………………….10 ix 1.2.2.1.1 Aceros………………………………………………………… 11 1.2.2.1.2 Hierros fundidos o fundiciones……………………………..13 1.2.2.2 Materiales no ferrosos……………………………………………15 1.2.2.2.1 Metales no ferrosos pesados………………………………...16 1.2.2.2.2 Metales no ferrosos ligeros………………………………….18 1.2.2.2.3 Metales no ferrosos ultraligeros……………………………19 1.3 PRINCIPIOS FÍSICOS DEL MÉTODO DE CORRIENTES INDUCIDAS…………………………………………..19 1.3.1 PROPIEDADES DE LA ELECTRICIDAD…………………………...22 1.3.2 FLUJO DE CORRIENTE Y LA LEY DE OHM……………………...23 1.3.3 INDUCCIÓN E INDUCTANCIA………………………………………25 1.3.4 AUTO-INDUCTANCIA Y REACTANCIA INDUCTIVA…………...27 1.3.5 INDUCTANCIA MUTUA (La Base de la Inspección por corrientes de Eddy)………………………………………………………..30 1.3.6 CIRCUITO Y FASE……………………………………………………..34 1.3.7 IMPEDANCIA…………………………………………………………...36 1.3.8 PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN Y DENSIDAD DE CORRIENTE………………………………………………..39 1.3.9 RETRASO DE FASE……………………………………………………43 1.4 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DEL PROTOCOLO ZIGBEE…………………………………………46 1.4.1 IEEE 802.15.4 CAPA FÍSICA (PHY)…………………………………..47 1.4.1.1 Canales IEEE 802.15.4…………………………………………..48 1.4.1.2 Modulación……………………………………………………….48 1.4.1.3 Sensibilidad y potencia…………………………………………..49 1.4.2 IEEE 802.15.4 CAPA MAC……………………………………………..50 1.4.2.1 Capa de enlace de datos…………………………………………50 1.4.2.1.1 Control de enlaces lógicos………………………………….54 1.4.2.2 Redes tipo estrella y peer to peer……………………………….54 1.4.3 ZigBEE…………………………………………………………………....55 CAPÍTULO 2.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN x DE LAS ETAPAS DEL SISTEMA…………………………….57 2.1 ARQUITECTURA DEL SISTEMA………………………………57 2.2 GENERADOR DE SEÑALES……………………………………..58 2.2.1 DESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN DE LOS PINES DEL AD9834…………………………………………………………...59 2.2.2 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN……….62 2.2.3 ACONDICIONAMIENTO DEL GENERADOR DE SEÑALES…………………………………………………………………..63 2.3 ACONDICIONAMIENTO DE LAS VARIABLES DE LA SONDA…………………………………………66 2.3.1 ADQUISICIÓN DE LAS VARIABLES DE LA SONDA……………...67 2.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE VARIABLES PARA DETERMINAR LA IMPEDANCIA…………………………………………71 2.3.2.1 Circuito rectificador de precisión de onda completa…………..71 2.3.2.2 Seguidor y retenedor de picos positivos………………………...75 2.3.2.3 Acondicionamiento de señales para conexión con el sistema microcontrolado………………………………………….79 2.3.3 ACONDICIONAMIENTO DE VARIABLES PARA DETERMINAR EL ÁNGULO DE FASE…………………………………….83 2.3.3.1 Filtro Butterworth pasa bajos…………………………………..85 2.3.3.2 Acondicionamiento de la señal multiplicada…………………...88 2.4 SISTEMA MICROCONTROLADO……………………………...89 2.4.1 DIAGRAMA DE PINES…………………………………………………92 2.5 FUENTE DE ALIMENTACIÓN…………………………………..93 CAPÍTULO 3.- PROGRAMACIÓN Y ENLACE DE MÓDULOS………………………………………95 3.1 CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR DEL MÓDULO DEL EQUIPO………………….95 3.1.1 PROGRAMA PRINCIPAL………………………..……………….……95 xi 3.2 CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR DEL MÓDULO DE COMUNICACIÓN PARA ENLAZAR EL EQUIPO A UN COMPUTADOR VÍA ZIGBEE….100 3.2.1 CIRCUITO BÁSICO PARA EL XBEE……………………………….101 3.2.2 MODOS DE OPERACIÓN…………………………………………….102 3.2.3 CONFIGURACIÓN PUNTO A PUNTO……………………………..104 CAPÍTULO 4.- DESARROLLO DE LA HMI PARA MONITOREO Y CONTROL…………………………107 4.1 PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ HMI QUE CORRERÁ EN LA COMPUTADORA……………………...107 4.1.1 SOFTWARE DE DESARROLLO DE SISTEMAS NI LABVIEW…………………………………………………...107 4.1.1.1 Principales características……………………………………...108 4.1.1.2 Aplicaciones……………………………………………………..109 4.1.1.3 Requerimientos del sistema…………………………………….110 4.1.2 INTERFAZ DEL USUARIO…………………………………………..115 4.1.2.1 Interfaz de configuración………………………………………115 4.1.2.2 Interfaz de gráficas…………………………………………….116 4.2 CONFIGURACIONES DE LA COMUNICACIÓN ENTRE LA COMPUTADORA Y EL MÓDULO DE COMUNICACIÓN DISEÑADO……………………………………..118 CAPÍTULO 5.- PRUEBAS Y RESULTADOS……………….120 5.1 PRUEBA DE CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA………………120 5.1.1 PATRONES DE CONDUCTIVIDAD…………………………………120 5.1.2 RESULTADOS DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA………...121 5.1.2.1 Baja frecuencia 50 KHz………………………………………...122 5.1.2.2 Baja frecuencia 70 KHz………………………………………...126 5.1.2.3 Baja frecuencia 100 KHz……………………………………….130 xii 5.1.2.4 Baja frecuencia 150 KHz……………………………………….134 5.1.2.5 Frecuencia Media 200 KHz…………………………………….138 5.1.2.6 Frecuencia Media 300 KHz…………………………………….142 5.1.2.7 Frecuencia Media 340 KHz…………………………………….146 5.1.2.8 Frecuencia Media 370 KHz…………………………………….150 5.1.2.9 Alta frecuencia 400 KHz………………………………………..154 5.1.2.10 Alta frecuencia 440 KHz………………………………………158 5.1.2.11 Alta frecuencia 470 KHz………………………………………162 5.1.2.12 Alta frecuencia 500 KHz………………………………………166 5.2 PRUEBA DE DISCONTINUIDADES…………………………...173 5.2.1 RESULTADOS DE DETECCIÓN DE DISCONTINUIDADES…….174 5.2.1.1 Superficie Lisa…………………………………………………..174 5.2.1.2 Fisura de 1 mm…………………………………………………175 5.2.1.3 Fisura de 2 mm…………………………………………………176 5.2.1.4 Fisura de 3 mm…………………………………………………177 CAPÍTULO 6.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………………………….180 6.1 CONCLUSIONES…………………………………………………180 6.2 RECOMENDACIONES…………………………………………..182 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………...184 ANEXOS………………………………………………………...185 xiii RESUMEN En el presente proyecto de titulación se presenta el diseño e implementación de un equipo, de corrientes inducidas, que permite al usuario visualizar el plano de impedancia y el porcentaje de conductividad, para evaluación de materiales, dentro de un amplio rango de frecuencias (50 KHz a 500 KHZ). En el capítulo 1 se explican los conceptos fundamentales y se da una breve descripción de los ensayos no destructivos, y de los materiales de prueba que se analizan en el laboratorio, para después profundizar en el método de corrientes inducidas y en los principios físicos en los que se basa dicho método. Además se hace referencia al protocolo Zigbee, con el que se trabajará para la comunicación entre el equipo y un computador. En el capítulo 2 se describen las etapas del sistema y los diseños de circuitos de acondicionamiento para el manejo de señales y conexión al sistema microcontrolado. El capítulo 3 explica la configuración y programación del microcontrolador, utilizado para esta aplicación, y del módulo de comunicación para enlazar el equipo a un computador vía Zigbee. En el capítulo 4 se describe el desarrollo de la interfaz HMI, de Labview, para el monitoreo y control, además de la configuración del computador para enlazarse con el equipo diseñado. El capítulo 5 presenta las pruebas que se realizaron con el equipo de corrientes inducidas (Pruebas que serán realizadas en las prácticas del Laboratorio de Ensayos No Destructivos de la EPN) y el análisis de los resultados obtenidos. xiv El proyecto no estaría completo sin las conclusiones y recomendaciones, por lo cual estas se presentan conjuntamente en el capítulo 6. Al final del escrito se encuentran los anexos, que contienen el manual de usuario del equipo de corrientes inducidas y las hojas de datos de los principales elementos utilizados para su implementación. xv PRESENTACIÓN Los ensayos no destructivos son un tipo de prueba practicada a un material que no altera de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los ensayos no destructivos implican un “daño” imperceptible o nulo. Los diferentes métodos de ensayos no destructivos se basan en la aplicación de fenómenos físicos tales como ondas magnéticas, elásticas, emisión de partículas subatómicas, absorción, etc. para caracterizar y localizar condiciones y fallas en materiales. En el presente proyecto de titulación, se realiza el diseño y posterior implementación de un equipo de corrientes inducidas, que será utilizado en el Laboratorio de Ensayos No Destructivos de la Facultad de Ingeniería Mecánica, para que los estudiantes puedan realizar ensayos en los materiales con un instrumento que cumpla con las funciones de los equipos industriales, como son mostrar en un gráfico el plano de impedancia del material, porcentaje de conductividad y que el usuario pueda seleccionar la frecuencia de prueba entre 50 KHz y 500 KHz. Además se desarrolla una interfaz utilizando Labview, que se comunica vía Zigbee al equipo, para permitir al usuario ver el resultado de las pruebas a distancia y permitiéndole guardar los gráficos y datos para su posterior análisis. 1 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS1 El campo de ensayos no destructivos (END o NDT siglas en inglés) es muy amplio, interdisciplinario que desempeña un papel crítico para asegurar que los componentes estructurales y sistemas cumplan su función de forma fiable y rentable, en la Figura 1.1, se puede observar la clasificación de los ensayos no destructivos. Los técnicos e ingenieros de ensayos no destructivos definen y aplican pruebas que localizan y caracterizan las condiciones de los materiales y las fallas que podrían causar las colisiones de aviones, las fallas de reactores, los descarrilamientos de trenes, las explosiones de las tuberías, y una variedad de menos visibles, pero igualmente preocupantes problemas. Estas pruebas se realizan de una manera que no afecta a la utilidad futura o las propiedades del objeto o material. En otras palabras, END permite que las piezas y los materiales sean inspeccionados y medidos sin dañarlos. Debido a que permite la inspección sin interferir con el uso final del producto, END ofrece un excelente equilibrio entre el control de calidad y costo-efectividad. En términos generales, los ensayos no destructivos se aplican a las inspecciones industriales. La evaluación no destructiva (NDE siglas en inglés) es un término que se utiliza a menudo de manera intercambiable con END. Sin embargo, técnicamente, NDE se utiliza para describir las mediciones que son más cuantitativas en la naturaleza. Por ejemplo, un método NDE no sólo localiza un defecto, sino que también se utiliza para medir algo sobre ese defecto tal como su tamaño, forma y orientación. Las NDE se pueden utilizar para determinar las propiedades del material tal como elasticidad, conductividad, y otras características físicas. 1 Ref. [1] 2 Figura 1.1. Clasificación de los END según su utilidad 1.1.1 MÉTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS/EVALUACIONES NO DESTRUCTIVAS2 El número de métodos de END que pueden ser utilizados para inspeccionar componentes y hacer mediciones es grande y continúa creciendo. Los investigadores continúan encontrando nuevas formas de aplicar la física y otras disciplinas científicas para desarrollar mejores métodos de ensayos no destructivos. Sin embargo, hay seis métodos de END que se utilizan con mayor frecuencia. Estos métodos son la inspección visual, pruebas de penetración, las pruebas de partículas magnéticas, pruebas electromagnéticas o de corrientes de Foucault, radiografías y pruebas de ultrasonido. Estos métodos y otros pocos se describen brevemente a continuación. 1.1.1.1 Prueba visual-óptica La inspección visual es el método más común, implica la experiencia de un inspector para buscar defectos. Permite detectar salpicaduras, existencia de cenizas, distorsiones por excesivo calentamiento, grietas, etc. El inspector también puede utilizar herramientas especiales tales como lupas, espejos, linternas, etc., para acceder y examinar más de cerca el área de estudio. 2 Ref. [1] y [2] 3 1.1.1.2 Prueba de líquidos penetrantes Los objetos de prueba están recubiertos con una solución de color visible o fluorescente. El colorante en exceso se retira de la superficie, y un revelador es aplicado. El revelador actúa como papel secante, el tinte penetrante es extraído de las imperfecciones abiertas a la superficie, destacando fácilmente, ya sea por la aparición de vivos colores como después de aplicar luz UV en caso de tintes fluorescentes. Este método sirve en cualquier material. 1.1.1.3 Partículas magnéticas Este método consiste en la inducción de un campo magnético en un material ferromagnético y luego espolvorear la superficie con partículas de hierro (ya sea en seco o en suspensión en líquido). Las imperfecciones superficiales modifican el campo y las partículas de hierro se concentran cerca de las imperfecciones, vista previa de una indicación visual de la falla. Este método sólo es factible en materiales ferromagnéticos con defectos superficiales perpendiculares a las líneas de campo. 1.1.1.4 Radiografía La radiografía implica el uso de rayos gamma o X (muy penetrantes) para examinar imperfecciones internas de las partes y productos. Un generador de rayos X o isótopos radiactivos se utiliza como una fuente de radiación. La radiación se dirige a través de una parte y produce una “imagen negativa” en una película o film. La radiografía resultante muestra la solidez interna de los materiales. Las posibles imperfecciones se indican como los cambios de densidad en la película, de la misma manera como un médico de rayos X muestra los huesos rotos. 4 1.1.1.5 Pruebas ultrasónicas La prueba de ultrasonidos utiliza la transmisión de ondas acústicas de alta frecuencia en un material para detectar imperfecciones o para localizar los cambios en las propiedades del material. La técnica más comúnmente usada es la prueba ultrasónica de pulso-eco, en el que el sonido se introduce en un objeto de prueba y los reflejos (ecos) se devuelven a un receptor desde las imperfecciones internas o desde las superficies geométricas de la pieza. Esta prueba sirve para cualquier material. 1.1.1.6 Pruebas de emisión acústica3 Cuando un material sólido es sometido a estrés las imperfecciones en el material emiten cortas ráfagas de energía acústica llamadas "emisiones". Al igual que en las pruebas de ultrasonidos, las emisiones acústicas pueden ser detectados por receptores especiales. Las fuentes de emisiones pueden ser evaluadas a través del estudio de su intensidad, frecuencia y ubicación. 1.1.1.7 Pruebas de fuga4 La prueba de fuga permite, en un ambiente de producción, detectar y localizar fugas en recipientes, contenedores o piezas que deban mantener su contenido a presión. Las fugas pueden ser detectadas mediante el uso de dispositivos electrónicos de escucha, mediciones de presión manométrica, técnicas de líquidos y gas penetrantes, y / o la prueba sencilla de pompa de jabón. 1.1.1.8 Prueba electromagnética o de corrientes de Eddy Corrientes eléctricas son generadas (inducidas) en un material conductor por un campo magnético alterno. Las corrientes eléctricas se llaman corrientes de Eddy porque su flujo en círculos están, en y por debajo, sólo de la superficie del 3 4 Ref. [1] y http://www.es.sgs.com/es/acoustic-emission-testing?serviceId=10159629&lobId=20009 http://www.induma.biz/boletines/abril08.pdf 5 material. Las interrupciones en el flujo de las corrientes inducidas, causada por las imperfecciones, los cambios dimensionales, o cambios en el material conductor y propiedades de permeabilidad, pueden ser detectadas con el equipo apropiado. Se utiliza esta prueba en materiales conductores. El presente trabajo hará énfasis en éste método para la realización de un equipo de corrientes inducidas que permita la visualización del plano de impedancia para análisis de materiales, lo cual se justifica en la comparación de las pruebas que se presenta en la Tabla 1.1. Tabla 1.1. Comparación de los END 6 1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES OBJETO DE PRUEBA EN EL LABORATORIO 1.2.1 TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS5 La diferencia de las propiedades magnéticas de los diferentes materiales se debe a la estructura atómica de los materiales, lo que determina la naturaleza y magnitud de los momentos atómicos magnéticos, según su comportamiento por un campo magnético inducido, al respecto en la Tabla 1.2 se presenta la clasificación de los materiales. Tabla 1.2. Materiales Magnéticos6 Tipo de material No magnético Características No afecta el paso de las líneas de Campo magnético. Ejemplo: el vacío. Material débilmente magnético. Si se sitúa una barra magnética cerca de Diamagnético él, ésta lo repele. Ejemplo: bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), agua. Paramagnético Presenta un magnetismo significativo. Atraído por la barra magnética. Ejemplo: aire, aluminio (Al), paladio (Pd), magneto molecular. Magnético por excelencia o fuertemente magnético. Atraído por la barra magnética. Ferromagnético Paramagnético por encima de la temperatura de Curie (La temperatura de Curie del hierro metálico es aproximadamente unos 770 °C). Ejemplo: hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero suave. Antiferromagnético Ferrimagnético Superparamagnético Ferritas No magnético aún bajo acción de un campo magnético inducido. Ejemplo: óxido de manganeso (MnO2). Menor grado magnético que los materiales ferromagnéticos. Ejemplo: Ferritas. Materiales ferromagnéticos suspendidos en una matriz dieléctrica. Ejemplo: materiales utilizados en cintas de audio y video. Ferromagnético de baja conductividad eléctrica. Ejemplo: utilizado como núcleo inductores para aplicaciones de C.A. 5 Ref. [3] 6 http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetismo 7 1.2.1.1 Material diamagnético Su origen está en la circulación de los pares electrónicos inducidos por el campo, que se oponen a él y que tienden a desplazar la muestra fuera del campo. Experimentalmente, se verifica que los materiales diamagnéticos tienen una permeabilidad magnética inferior a la unidad, y una susceptibilidad magnética negativa, prácticamente independiente de la temperatura, y del propio campo. 1.2.1.2 Material paramagnético El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético. Cuando no existe ningún campo magnético externo, estos momentos magnéticos están orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo tienden a alinearse paralelamente al campo, pero esta alineación está contrarrestada por la tendencia que tienen los momentos a orientarse aleatoriamente debido al movimiento térmico. Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a fortalecerlo. Esto se describe por una permeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo que es lo mismo, una susceptibilidad magnética positiva y muy pequeña. 1.2.1.3 Material ferromagnético Diamagnetismo y paramagnetismo son características de los átomos aislados. Mientras que el ferromagnetismo es un comportamiento que requiere de la cooperación de muchos átomos en un sólido, es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo 8 magnético inductor aumentan su tamaño. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo, dicha descripción se puede observar de forma gráfica en la Figura 1.2. Figura 1.2. Orientación de Dominios 1.2.1.4 Material antiferromagnético El antiferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección pero en sentido inverso (por pares o una subred frente a otra), esto se representa en la Figura 1.3. La interacción antiferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y en sentido inverso, cancelándolos si tienen el mismo valor absoluto, o reduciéndolos si son distintos. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el antiferromagnetismo. Las interacciones antiferromagnéticas pueden producir momentos magnéticos grandes, incluso imanación. El ferromagnetismo ocurre en sistemas en los que una interacción antiferromagnética entre momentos magnéticos de diferente magnitud implica un momento magnético resultante grande. Figura 1.3. Alineamiento de los momentos Magnéticos7 7 http://es.wikipedia.org/wiki/Antiferromagnetismo 9 1.2.1.5 Material ferrimagnético El ferrimagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de modo que no todos los momentos magnéticos de una muestra están alineados en la misma dirección y sentido, esto se representa gráficamente en la Figura 1.4. Algunos de ellos están opuestos y se anulan entre sí. Sin embargo estos momentos magnéticos que se anulan están distribuidos aleatoriamente y no consiguen anular por completo la magnetización espontánea. El ferrimagnetismo también presenta, como el ferromagnetismo, magnetizaciones de saturación (punto en el que ya no aumenta la magnetización aunque aumentemos la fuerza del campo), aunque no en valores tan altos. Otra similitud es que por encima de la temperatura de Curie se pierde el ferrimagnetismo y el material pasa a ser paramagnético. Figura 1.4. Esquema de ordenamiento ferrimagnético8 1.2.1.6 Material superparamagnético El superparamagnetismo es un comportamiento magnético con algunas características del ferromagnetismo y otras del paramagnetismo. Su origen se debe a partículas mesoscópicas, con interacciones ferromagnéticas lo bastante intensas en su interior como para lograr un ordenamiento magnético por debajo 8 http://es.wikipedia.org/wiki/Ferrimagnetismo 10 de cierta temperatura crítica, pero con interacciones muy débiles entre ellas, con lo que el ordenamiento magnético no puede extenderse a todo el sistema. Así, se comportan como semejanza de paramagnetos los de momento ferromagnetos, pueden magnético muy exhibir ciclos de grande. A histéresis magnéticos o señal a.c. en la susceptibilidad, pero sólo por encima de cierta frecuencia crítica a partir de la cual el momento magnético inducido no es capaz de seguir la dirección del campo aplicado. 1.2.1.7 Ferritas La ferrita o hierro-α (alfa), en metalurgia, es una de las estructuras cristalinas del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene propiedades magnéticas. Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos (sólo la alfa), compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno. Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Se fabrican núcleos para transformadores, inductores/bobinas, ya que en ellos queda eliminadas las corrientes de Eddy, y otros elementos eléctricos o electrónicos. 1.2.2 TIPOS DE MATERIALES METÁLICOS Debido a que los materiales de END para corrientes inducidas son metales, se los divide en dos grupos: materiales ferrosos y no ferrosos, ya que el metal más empleado en la actualidad es el hierro. 1.2.2.1 Materiales ferrosos9 Los metales ferrosos son aquellos que están basados en el hierro, entre los de mayor importancia son el hierro y el carbono. Estas aleaciones se dividen en dos grupos: los aceros y las fundiciones de hierro. 9 http://sifunpro.tripod.com/metal.htm y http://www.textoscientificos.com/mineria/materiales-ferrosos 11 1.2.2.1.1 Aceros Los aceros son aleaciones de hierro y carbono que pueden contener cantidades apreciables de otros elementos. Las propiedades mecánicas de los aceros son sensibles al porcentaje de carbono, el cual es normalmente menor al 1%. Algunos de los aceros más comunes se clasifican de acuerdo a su concentración de carbono, así se tiene: Aceros de bajo carbono - Son los que se producen comercialmente en mayor cantidad. - Generalmente contienen menos del 0.25% de carbono. - No responden a tratamientos térmicos que forman martensita. - Su incremento en la resistencia puede lograrse por medio de trabajo en frío. - Su microestructura consiste de ferrita y perlita. - Son aleaciones relativamente suaves y débiles pero con una ductilidad y tenacidad sobresalientes. - Aplicaciones típicas: componentes de automóviles, perfiles estructurales, láminas, tuberías. Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) - Es un subgrupo de los aceros al carbono. Poseen bajo carbono. - Contienen elementos de aleación como cobre, vanadio, níquel y molibdeno en concentraciones combinadas de 10% o menos. - Poseen mayor resistencia que los aceros al carbono. - Muchos de ellos pueden ser endurecidos por tratamiento térmico. Aceros de medio carbono - Tienen concentraciones de carbono entre 0.25 y 0.60. - Pueden ser tratados térmicamente por austenizado, templado y revenido. Normalmente se utilizan en la condición revenida. 12 - Los aceros no aleados (al carbono) tienen baja capacidad de endurecimiento y sólo pueden tratarse térmicamente en secciones delgadas y con elevada rapidez de enfriamiento. - Al añadir cromo, níquel y molibdeno se mejora la capacidad de estas aleaciones de ser tratadas térmicamente. Estas aleaciones tienen mayor resistencia que los aceros de bajo carbono pero sacrificando ductilidad y tenacidad. - Se utilizan en aplicaciones que requieren la combinación de elevada resistencia, resistencia al desgaste y tenacidad. Aceros de alto carbono - Su contenido de carbono varía entre 0.6 y 1.4%. - Son los aceros más duros, más resistentes y menos dúctiles de los aceros al carbono. - Casi siempre se utilizan revenidos, por ello tienen una resistencia al desgaste especial y son capaces de mantener un filo cortante. - Los aceros para herramienta (tool steels) caen dentro de la categoría de aceros de alto carbono. Contienen cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno. Esos elementos de aleación se combinan con el carbono para formar carburos muy duros y resistentes al desgaste. Se utilizan para fabricar herramientas de corte. Aceros inoxidables - Poseen una resistencia elevada a la corrosión en una variedad de entornos, especialmente el medio ambiente. - El elemento principal de aleación es el cromo (se requiere de al menos 11% de cromo en el acero). La resistencia a la corrosión puede mejorarse al añadir níquel y molibdeno. - Se dividen en tres clases: martensítico, ferrítico y austenítico. - Los aceros inoxidables austeníticos y ferríticos sólo pueden endurecerse por trabajo en frío. 13 - Los aceros inoxidables austeníticos son los que tienen mayor resistencia a la corrosión debido a su contenido elevado de cromo. son no-magnéticos. - Los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos son magnéticos. 1.2.2.1.2 Hierros fundidos o fundiciones Las fundiciones son aleaciones ferrosas con contenidos de carbono mayores al 2.1%. La mayoría de fundiciones tienen entre 3 y 4.5% C. Estas aleaciones pasan al estado líquido entre 1150º y 1300º C. La mayoría de hierros fundidos posee grafito en su microestructura. Las fundiciones se clasifican de la siguiente manera: Hierro gris - Contiene entre 2.5 y 4% C y 1 a 3% de Si. - El grafito existe en forma de hojuelas rodeadas por una matriz de ferrita o perlita. Debido a las hojuelas de grafito, la superficie de fractura de estos materiales toma un color grisáceo, y de ahí su nombre. - Mecánicamente, el hierro gris es más débil y frágil en tensión que en compresión. Esto es a consecuencia de su microestructura ya que los extremos de la hojuela de grafito son afilados y puntiagudos, y sirven como puntos de concentración del esfuerzo cuando una fuerza externa en tensión es aplicada. La resistencia y ductilidad son mucho mayores bajo cargas en compresión. - Estas aleaciones son muy efectivas disipando energía de vibraciones. Por esta razón, las estructuras de base de maquinaria y equipo pesado se fabrican con este material. - El hierro gris posee una elevada resistencia al desgaste. Además, en estado líquido poseen una fluidez elevada lo cual permite fabricar piezas con geometrías. - El gris es la aleación más barata de todas las aleaciones metálicas. 14 Hierro nodular o dúctil - Si al hierro gris se le añaden pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio, se produce en el material una microestructura y propiedades mecánicas muy diferentes a las del hierro gris. El grafito siempre se forma, pero no como hojuelas sino como nódulos o partículas esféricas. La aleación que resulta se llama hierro nodular o dúctil. - La fase que rodea a los nódulos puede ser perlita o ferrita, dependiendo del tratamiento térmico. - Las piezas fundidas fabricadas con esta aleación son mucho más resistentes y dúctiles que las fabricadas con el hierro gris. Hierro blanco y Hierro maleable - Para hierros fundidos bajos en silicio (menos del 1%) y velocidades de enfriamiento elevadas, la mayoría del carbono en la aleación se forma como cementita en vez de grafito. La superficie de fractura de este material tiene un color blancuzco y de ahí su nombre fundición blanca. - Debido a la gran cantidad de cementita que poseen, las fundiciones blancas son extremadamente duras pero también muy frágiles, al grado que prácticamente son imposibles de maquinar. Su uso se limita a aplicaciones que requieren una superficie muy dura y resistente al desgaste y sin un alto grado de ductilidad. - El hierro blanco se utiliza como material intermedio para la fabricación del hierro maleable. - Cuando se calienta el hierro blanco a temperaturas entre 800 y 900º C por un período de tiempo prolongado y en una atmósfera neutra (para evitar la oxidación), la cementita se descompone en grafito, el cual existe en la forma de clusters o rosetas rodeados por una matriz de ferrita o perlita. - La forma del grafito en el hierro maleable produce una elevada resistencia y ductilidad apreciable. 15 1.2.2.2 Materiales no ferrosos10 Los metales no ferrosos son aquellos que incluyen elementos metálicos y aleaciones que no se basan en el hierro, su utilización no es tan masiva como los productos férreos y aunque algunos metales no ferrosos no pueden igualar la resistencia de los aceros, tienen una gran importancia en la industria, por propiedades como: - El bajo peso específico. - La resistencia a la oxidación en condiciones ambientales normales. - La fácil manipulación y mecanizado. Las aleaciones no ferrosas tienen gran cantidad de aplicaciones como: fabricación de monedas, filamentos de bombillas, material para soldadura de componentes electrónicos, recubrimientos, etc. En general, los metales no ferrosos son blandos y tienen poca resistencia mecánica. Para mejorar sus propiedades se alean con otros metales. Debido a su densidad se pueden clasificar como se ilustra en la Tabla 1.3: Tabla 1.3. Clasificación de Materiales No Ferrosos TIPO Características Ejemplo de metal no férrico Pesados Su densidad es igual o mayor de 5 kg/dm 3 Estaño, cobre, cinc, plomo, cromo, níquel, wolframio y cobalto. Ligeros Su densidad está Aluminio y titanio. comprendida entre 2 y 5 kg/dm Ultraligeros 3 Su densidad es menor de 2 kg/dm 10 Magnesio y berilio. 3 http://sifunpro.tripod.com/metal.htm y metalesnoferrosos.pdf 16 1.2.2.2.1 Metales no ferrosos pesados Estaño Es un metal bastante escaso en la naturaleza. Se lo encuentra concentrado en minas, aunque su cantidad es bastante baja (del orden del 0,02%). Propiedades - Densidad: 7,28 kg/dm3. - Punto de fusión: 231 °C. - Resistividad: 0,115 W·mm2/m. - Resistencia a la tracción: 5 kg/mm2. - Alargamiento: 40%. Cobre El cobre es uno de los metales más conocidos por los seres humanos, en la antigüedad se podía encontrar el elemento en forma pura, pero ahora es difícil encontrarlo en depósitos naturales, ahora se extrae principalmente de sulfuros. La adición de otros metales no ferrosos al cobre mejora sus propiedades mecánicas y de resistencia a la oxidación, aunque empeora ligeramente su conductividad eléctrica y calorífica. Cinc El cinc se destaca por ser un material con un punto de fusión relativamente bajo lo cual lo hace atractivo como un metal de fundición y al igual que el Níquel sirve de recubrimiento para otros metales para evitar corrosión, generalmente se utiliza el termino galvanizado cuando se aplica cinc sobre otro material. Propiedades - Densidad: 7,14 kg/dm3 - Punto de fusión: 419°C - Resistividad: 0,057 W·mm2/m - Resistencia a la tracción: 17 - Piezas moldeadas: 3 kg/mm2. - Piezas forjadas: 20 kg/mm2. - Alargamiento: 20%. Plomo Se empieza a utilizar, aproximadamente, en el año 5000 A. C., adquiriendo gran importancia durante el periodo romano y a partir del siglo xix. Propiedades: - Densidad: 11,34 kg/dm3. - Punto de fusión: 327 °C. - Resistividad; 0,22 W·mm2/m. - Resistencia a la tracción: 2 kg/mm2. Cromo Propiedades: - Densidad: 6,8 kg/dm3. - Punto de fusión: 1900°C. - Resistividad: 1,1 W·mm2/m. - Tiene un color grisáceo acerado. - Es muy duro y tiene una gran acritud. - Resiste muy bien la oxidación y corrosión. Níquel Este elemento es similar al hierro en varios aspectos: es magnético y su módulo de elasticidad es prácticamente el mismo para el hierro y el acero. Difiere del hierro en que es más resistente a la corrosión y las propiedades de sus aleaciones a altas temperaturas son generalmente superiores. Debido a sus propiedades similares al hierro y su alta resistencia a la corrosión, se utiliza como elemento de aleación para el acero, para obtener acero inoxidable por ejemplo, y también se aplica como material de chapado sobre otros materiales. Propiedades: - Densidad: 8,85 kg/dm3. 18 - Punto de fusión: 1450°C. - Resistividad: 0,11 W·mm2/m. Wolframio Propiedades: - Densidad: 19 kg/dm3. - Punto de fusión: 3370°C. - Resistividad: 0.056·W·mm2/m Cobalto Propiedades: - Densidad: 8,6 kg/dm3. - Punto de fusión: 1490°C. - Resistividad: 0,063 W·mm2/m. - Tiene propiedades análogas al níquel, pero no es magnético. 1.2.2.2.2 Metales no ferrosos ligeros Aluminio Propiedades: - Densidad: 2,7 kg/dm3 - Punto de fusión: 660 °C. - Resistividad: 0,026 W·mm2/m. - Resistencia a la tracción: 10 - 20Kg/mm2 - Alargamiento: 50% Titanio Este material es medianamente abundante en la naturaleza, pero su importancia ha crecido de década en década debido a sus aplicaciones aeroespaciales, en la cual se explota su peso ligero y su buena razón de resistencia-peso. El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo comparado con otros materiales, siendo que muestra ser más rígido y fuerte que el 19 aluminio; el titanio puro es reactivo, lo cual presenta problemas para su procesamiento, especialmente en su estado fundido. Propiedades: - Densidad: 4,45 kg/dm3 - Punto de fusión: 1800 °C. - Resistividad: 0,8 W·mm2/m. - Resistencia a la tracción: 100Kg/mm2 - Alargamiento: 5% 1.2.2.2.3 Metales no ferrosos ultraligeros Magnesio Propiedades: - Densidad: 1,74 kg/dm3 - Punto de fusión: 650 °C. - Resistividad: 0,8 W·mm2/m. - Resistencia a la tracción: 18Kg/mm2 - Alargamiento: 5% 1.3 PRINCIPIOS FÍSICOS DEL MÉTODO DE CORRIENTES INDUCIDAS11 La inspección por corrientes inducidas es uno de varios métodos de END que utilizan el principio de "electromagnetismo" como base para la realización de los exámenes. Las corrientes de Eddy o Foucault se crean a través de un proceso llamado inducción electromagnética. Cuando la corriente alterna se aplica a un conductor, como alambre de cobre, un campo magnético se desarrolla en y alrededor del conductor. Este campo magnético se expande a medida que aumenta la corriente alterna y disminuye hasta desaparecer cuando la corriente se reduce a cero. Si 11 Ref. [4],[5] y [6] 20 otro conductor eléctrico se pone en la proximidad a este campo magnético cambiante, una corriente será inducida en este segundo conductor. Las corrientes de Eddy son corrientes eléctricas inducidas que fluyen en una trayectoria circular. Reciben su nombre por los "remolinos (eddies)" que se forman cuando un líquido o gas fluyen en una trayectoria circular, alrededor de los obstáculos, cuando las condiciones son correctas. Para generar corrientes de Eddy para una inspección, "una sonda" es usada que se la puede representar como muestra la Figura 1.5 (a). Dentro de la sonda está un filamento de conductor eléctrico en forma de rollo o bobina. Se deja fluir una corriente alterna por la bobina, a una frecuencia escogida por el técnico, dependiendo del tipo de prueba que se va a realizar (Figura 1.5 (b)). Se forma un campo magnético en y alrededor de la bobina debido a la circulación de corriente a través de la bobina, lo que se puede graficar como en la Figura 1.5 (c). Cuando un material eléctricamente conductor es colocado en el campo dinámico magnético de la bobina electromagnética, la inducción ocurrirá e inducirá corrientes de Eddy en el material, lo que se representa en la Figura 1.5 (d). Las corrientes de Eddy que fluyen en el material generarán su propio campo "secundario" magnético que se opondrá el campo "primario" magnético de la bobina (Figura 1.5 (e)). Este proceso entero de inducción electromagnética para producir corrientes de Eddy puede ocurrir varios cientos o varios millones de veces cada segundo dependiendo de la frecuencia de inspección. Cuando un defecto es introducido al material conductor, las corrientes de Eddy son interrumpidas, esto se ilustra en la Figura 1.5 (f). 21 Figura 1.5. Descripción gráfica de inspección por corrientes de Eddy. Una de las principales ventajas de la corriente de Eddy como herramienta para END es la variedad de inspecciones y mediciones que se pueden realizar. En las circunstancias apropiadas, las corrientes de Eddy se pueden utilizar para: Detección de grietas Mediciones de espesor de material Mediciones de espesor de revestimiento Mediciones de conductividad para: - Identificación de materiales - Detección de daño por calor - Determinación de profundidad Algunas de las ventajas de la inspección por corrientes de Eddy incluyen: Sensible a las pequeñas grietas y otros defectos Detecta defectos en la superficie y cerca de la superficie Inspección da resultados inmediatos El equipo es portátil El ensayo puede ser utilizado para mucho más que la detección de defectos 22 La sonda de prueba no necesita ponerse en contacto con el objeto Inspecciona formas y tamaños complejos de materiales conductores Algunas de las limitaciones de la inspección por corrientes parásitas incluyen: Sólo materiales conductores pueden ser inspeccionados La superficie debe estar accesible a la sonda La habilidad y la capacitación requerida es más extensa que otras técnicas El acabado superficial y la rugosidad pueden interferir Los patrones de referencia necesarios deben ser establecidos La profundidad de penetración es limitada Los defectos que se encuentran paralelos a la bobina de la sonda y a la dirección de exploración de la sonda son indetectables 1.3.1 PROPIEDADES DE LA ELECTRICIDAD Debido a que la inspección de corrientes de Eddy hace uso de la inducción electromagnética, es importante saber acerca de los principios científicos de la electricidad y el magnetismo. Se hará una breve revisión de los parámetros clave. Electricidad Es bien sabido que una de las partículas subatómicas de un átomo es el electrón. Los átomos pueden, y por lo general tienen un número de electrones que giran alrededor de su núcleo. Los electrones tienen una carga electrostática negativa y bajo ciertas condiciones puede pasar de un átomo a otro. La dirección del movimiento entre los átomos es aleatoria a menos que una fuerza haga que los electrones se muevan en una dirección. Este movimiento direccional de electrones debido a un desequilibrio de la fuerza es lo que se conoce como la electricidad. Corriente eléctrica El flujo de electrones se mide en unidades llamadas amperios o amps., para abreviar. Un amperio es la cantidad de corriente eléctrica que se produce cuando un número de electrones, que tiene un Coulomb de carga, se mueven más allá de 23 un punto dado en un segundo. Un coulomb es la carga transportada por 6.25 x 10^18 electrones o 6,250,000,000,000,000,000 electrones. Fuerza electromotriz La fuerza que hace que los electrones se muevan en un circuito eléctrico se denomina fuerza electromotriz o FEM . A veces es conveniente pensar en la FEM como la presión eléctrica. En otras palabras, es la fuerza que hace que los electrones se mueven en una dirección determinada dentro de un conductor. Hay muchas fuentes de FEM, las más comunes son las baterías y los generadores eléctricos. El Voltio La unidad de medida de la FEM es el voltio. Un voltio se define como la diferencia electrostática entre dos puntos cuando un joule de energía se utiliza para mover un culombio de carga de un punto a otro. Un joule es la cantidad de energía que se consume cuando un vatio de potencia funciona por un segundo. Esto también se conoce como un vatio-segundos. Para nuestros propósitos, basta con aceptar el hecho de que un joule de energía es una cantidad muy, muy pequeña de energía. Por ejemplo, un foco de 60 vatios consume unos 60 joules de energía cada segundo que este encendido. Resistencia La resistencia es la oposición de un cuerpo o sustancia al paso de corriente eléctrica a través de él, lo que resulta en un cambio de energía eléctrica en calor, luz, u otras formas de energía. La cantidad de resistencia depende del tipo de material. Los materiales con baja resistencia son buenos conductores de electricidad. Los materiales con alta resistencia son buenos aisladores. 1.3.2 FLUJO DE CORRIENTE Y LA LEY DE OHM La ley de Ohm es la más importante por ser la ley básica de la electricidad. Se define la relación entre las tres magnitudes eléctricas fundamentales: corriente, tensión y resistencia. Cuando se aplica un voltaje a un circuito que contiene sólo 24 elementos resistivos, la corriente fluye de acuerdo con la ley de Ohm, como se muestra en la Figura 1.6. Figura 1.6. Circuito Básico. (1.1) Donde: I= La corriente eléctrica (amperios) V = Tensión (voltaje) R = Resistencia (ohmios) La ley de Ohm, ecuación (1.1), afirma que la corriente eléctrica (I) que fluye en un circuito es proporcional a la tensión (V) e inversamente proporcional a la resistencia (R). Por lo tanto, si la tensión se incrementa, la corriente aumentará siempre que la resistencia del circuito no cambie. De manera similar, el aumento de la resistencia del circuito bajará el flujo de corriente si la tensión no se cambia. Figura 1.7. Gráficas de Corriente y Voltaje (Ley de Ohm). 25 La corriente y voltaje se muestran en la Figura 1.7, como se muestran en un osciloscopio con el tiempo, eje X y el eje Y es la amplitud de la corriente o tensión. Ley de Ohm es válida tanto para corriente continua (DC) y corriente alterna (AC). 1.3.3 INDUCCIÓN E INDUCTANCIA En 1824, Oersted descubrió que la corriente que pasa a través de una bobina crea un campo magnético capaz de desplazar una aguja de la brújula. Siete años más tarde, Faraday y Henry descubrieron todo lo contrario. Se dieron cuenta de que un campo magnético móvil podría inducir corriente en un conductor eléctrico, como se muestra en la Figura 1.8. Este proceso de generación de corriente eléctrica en un conductor mediante la colocación del conductor en un campo magnético variable se llama inducción electromagnética o simplemente inducción. Se llama inducción porque la corriente se dice que es inducida en el conductor por el campo magnético. Figura 1.8. Inducción. Faraday también notó que la velocidad a la que el campo magnético cambia también tenía un efecto sobre la cantidad de corriente o tensión que se indujo. La Ley de Faraday para un conductor desenrollado, dice que la cantidad de tensión inducida es proporcional a la velocidad de cambio de líneas de flujo que cortan el conductor. Ley de Faraday para un alambre recto se escribe en la ecuación (1.2). 26 (1.2) Donde: V L = la tensión inducida en voltios dØ / dt = la variación del flujo magnético en webers / segundo La inducción se mide en unidades de henrios (H), lo que refleja esta dependencia de la velocidad de cambio del campo magnético. Un Henrio es la cantidad de inductancia que se requiere para generar un voltio de voltaje inducido cuando la corriente está cambiando en una relación de un amperio por segundo. Nótese que es la corriente la que se utiliza en la definición en lugar de campo magnético. Esto es porque la corriente puede ser usada para generar el campo magnético y es más fácil de medir y controlar que el flujo magnético. Inductancia Cuando se produce la inducción en un circuito eléctrico y afecta el flujo de electricidad se denomina inductancia, L. La auto-inductancia, o simplemente inductancia, es la característica de un circuito por el cual un cambio en la corriente causa un cambio en el voltaje en el mismo circuito. Cuando un circuito induce un flujo de corriente en un segundo circuito, cercano, se conoce como inducción mutua. La Figura 1.9 muestra un ejemplo de inducción mutua. Cuando una corriente alterna fluye a través de un trozo de alambre en un circuito, un campo electromagnético se produce, este está en constante crecimiento y la contracción, y cambiando de dirección debido a que la corriente cambia constantemente en el alambre. Este campo magnético cambiante induce corriente eléctrica en otro hilo o circuito que se acerca al alambre del circuito primario. La corriente en el segundo alambre será también de corriente alterna y, de hecho, será muy similar a la corriente que fluye en el primer alambre. Un transformador eléctrico utiliza la inductancia para cambiar el voltaje de la electricidad a un nivel más útil. En los ensayos no destructivos, la inductancia se utiliza para generar corrientes de Eddy en la pieza a inspeccionar. 27 Figura 1.9. Inducción Mutua 1.3.4 AUTO-INDUCTANCIA Y REACTANCIA INDUCTIVA La auto-inductancia es una forma particular de la inducción electromagnética. Auto-inductancia se define como la inducción de un voltaje en un hilo conductor de corriente cuando la corriente en el propio alambre está cambiando. En el caso de la auto-inductancia, el campo magnético creado por una corriente variable en el propio circuito induce una tensión en el mismo circuito. Por lo tanto, el voltaje es auto-inducido. El término inductor se utiliza para describir un elemento del circuito que posee la característica de la inductancia y una bobina de alambre es un inductor muy común. La corriente alterna que pasa por la bobina crea un campo magnético dentro y alrededor de la bobina que está aumentando y disminuyendo, como cambia la corriente. El campo magnético forma bucles concéntricos que rodean el alambre y se unen para formar grandes bucles que rodean la bobina como se muestra en la Figura 1.10. Cuando la corriente aumenta en un bucle del campo magnético en expansión, cortará a través de algunos o todos los bucles vecinos del alambre, induciendo una tensión en estos bucles. Esto provoca una tensión que es inducida en la bobina cuando la corriente está cambiando. 28 Figura 1.10. Campo Magnético en una Bobina Al estudiar la Figura Nº 1.10, de una bobina, se puede observar que el número de espiras en la bobina tendrá un efecto sobre la cantidad de voltaje que se induce en el circuito. El aumento del número de vueltas o la tasa de cambio del flujo magnético aumenta la cantidad de tensión inducida. Por lo tanto, la Ley de Faraday debe ser modificada para una bobina de alambre y se convierte en: (1.3) Donde: V L = tensión inducida en voltios N = número de vueltas en la bobina de dØ / dt = tasa de variación del flujo magnético en webers / segundo La ecuación (1.3) simplemente indica que la cantidad de voltaje inducido (VL) es proporcional al número de espiras en la bobina y la tasa de cambio del flujo magnético (dØ/dt). En otras palabras, cuando la frecuencia del flujo se incrementa o el número de espiras en la bobina se incrementa, la cantidad de tensión inducida también aumentará. En un circuito, es mucho más fácil medir la corriente que medir el flujo magnético, por lo que la ecuación (1.4) puede ser utilizada para determinar la tensión inducida si la inductancia y la frecuencia de la corriente son conocidas. 29 (1.4) Donde: V L = la tensión inducida en voltios L = el valor de la inductancia en henrios di / dt = la tasa de cambio de la corriente en amperios por segundo Ley de Lenz Poco después de que Faraday propuso su ley de la inducción, Heinrich Lenz desarrollado una regla para determinar la dirección de la corriente inducida en un bucle. Básicamente, la ley de Lenz dice que una corriente inducida tiene una dirección tal que su campo magnético se opone al cambio en el campo magnético que induce la corriente. Esto significa que la corriente inducida en un conductor se opondrá a la variación de corriente que está causando el flujo a cambiar. Ley de Lenz es importante para entender la característica de reactancia inductiva, que es una de las propiedades medidas en las pruebas de corriente de Eddy. Reactancia inductiva La reducción del flujo de corriente en un circuito debido a la inducción se denomina reactancia inductiva. Al trabajar con una bobina de alambre y la aplicación de la Ley de Lenz, se puede entender cómo la inductancia reduce el flujo de corriente en el circuito. La corriente inducida trabajando al contrario de la corriente primaria provoca una reducción del flujo de corriente en el circuito. Cabe señalar que la reactancia inductiva aumentará si el número de vueltas en la bobina se incrementa puesto que el campo magnético de una bobina tendrá más bobinas para interactuar. De manera similar a la resistencia, la reactancia inductiva reduce el flujo de corriente en un circuito. Sin embargo, es posible distinguir entre la resistencia y la reactancia inductiva en un circuito mirando el tiempo entre las ondas sinusoidales de la tensión y corriente de la corriente alterna. En un circuito de corriente alterna que contiene sólo componentes resistivos, la tensión y la corriente estarán en 30 fase, lo que significa que los picos y valles de las ondas sinusoidales ocurrirán al mismo tiempo. Cuando hay una reactancia inductiva presente en el circuito, la fase de la corriente se desplaza de modo que sus picos y valles no ocurren al mismo tiempo que los de la tensión. 1.3.5 INDUCTANCIA MUTUA (La Base de la Inspección por corrientes de Eddy) El flujo magnético a través de un circuito puede estar relacionado con la corriente en dicho circuito y las corrientes en otros circuitos cercanos, suponiendo que no hay imanes permanentes cerca., como se muestra en la Figura 1.11. Figura 1.11. Inductancia Mutua El campo magnético producido por el circuito 1 atraviesa el cable en el circuito 2 y crea un flujo de corriente. El flujo de corriente inducida en el circuito 2 tendrá su propio campo magnético que interactúa con el campo magnético del circuito 1. En algún punto P, el campo magnético se compone de una parte debido a la i1 y una parte debido a i2. Estos campos son proporcionales a las corrientes que los producen. Las bobinas en los circuitos están designadas con L 1 y L 2 y este término representa la auto-inductancia de cada una de las bobinas. Los valores de L 1 y L 2 depende de la disposición geométrica del circuito (es decir, número de vueltas en la bobina) y la conductividad del material. La constante M, llamada la inductancia mutua de los dos circuitos, es dependiente de la disposición geométrica de los dos circuitos. En particular, si los circuitos están muy separados, el flujo magnético a través del circuito 2 debido a la corriente i1 será pequeño y la inductancia mutua será pequeña. L 1 y M son constantes. 31 Se puede escribir el flujo, ΦB a través del circuito 2 como la suma de dos partes, ecuación (1.5). (1.5) Una ecuación similar a la anterior se puede escribir para el flujo a través del circuito 1, ecuación (1.6). (1.6) Aunque no es obvio, se puede demostrar que la inductancia mutua es la misma para ambos circuitos. Por lo tanto, puede representarse como la ecuación (1.7): (1.7) Cómo se utiliza la inducción mutua en la inspección de corrientes de Foucault?12 En la inspección por corrientes de Eddy, las corrientes parásitas se generan en el material de ensayo debido a la inducción mutua. La sonda de prueba es básicamente una bobina de alambre a través del cual se hace pasar corriente alterna. Por lo tanto, cuando la sonda está conectada a un instrumento “eddyscope”, que está básicamente representado por el circuito 1 de la Figura 1.11. El segundo circuito puede ser cualquier trozo de material conductor, como se representa en la Figura 1.12(a). Cuando la corriente alterna pasa a través de la bobina, un campo magnético es generado en y alrededor de la bobina. Cuando la sonda se pone en estrecha proximidad a un material conductor, tal como aluminio, el campo magnético cambiante de la sonda genera un flujo de corriente en el material. La corriente inducida fluye en bucles cerrados en planos perpendiculares al flujo magnético, esto se puede representar como se muestra en la Figura 1.12(b). 12 Ref. [5] 32 Las corrientes de Eddy producen sus propios campos magnéticos que interactúan con el campo magnético primario de la bobina, como se ilustra en la Figura 1.12(c). Al medir los cambios en la resistencia y la reactancia inductiva de la bobina, se puede conseguir información acerca del material de ensayo. Esta información incluye la conductividad eléctrica y la permeabilidad magnética del material, la cantidad de material que corta a través del campo magnético de las bobinas, y la condición del material (es decir, si contiene grietas u otros defectos). (a) (b) (c) Figura 1.12. Inducción mutua en la inspección de corrientes de Eddy. La distancia a la que se encuentra la bobina del material conductor se llama liftoff, y esta distancia afecta a la inductancia mutua de los circuitos. El liftoff puede ser utilizado para hacer las mediciones del espesor de los recubrimientos no conductores, tales como pintura, que mantienen a la sonda a una cierta distancia de la superficie del material conductor. En las gráficas de la Figura 1.13, se puede observar la sonda y la muestra en sección transversal. Las cajas representan el área en sección transversal de un grupo de espiras en la bobina. La distancia de liftoff y el valor de la corriente de la sonda se varían para ver los efectos del campo magnético compartido como se ilustra en la Figura Nº 1.13 (a) (b) y (c). El valor del liftoff se puede ajustar a 0,1 o menos y el valor de la corriente se puede variar desde 0,01 hasta 1,0. La fuerza del campo magnético se muestra por la oscuridad de las líneas. 33 (a) Liftoff 0.02/ I 0.5 (b) Liftoff 0.1/ I 0.3 (c) Liftoff 0.001/ I 1 Figura 1.13. Campo magnético con liftoff y corriente variables. 34 1.3.6 CIRCUITO Y FASE Un circuito puede ser considerado como un camino cerrado en el que la corriente fluye a través de los componentes que forman el circuito. La corriente (i) obedece a la ley de Ohm. El circuito de la Figura 1.14 se compone de una fuente de voltaje (en este caso una fuente de tensión alterna de corriente) y una resistencia. El gráfico inferior de la figura Nº 1.14 muestra el valor de la tensión y la corriente para este circuito durante un período de tiempo. Este gráfico muestra un ciclo completo de una fuente de corriente alterna. A partir del gráfico, se puede observar que a medida que aumenta la tensión, la corriente hace lo mismo. El voltaje y la corriente, se dice, que están "en fase" debido a que su cero, pico y de valle se producen al mismo tiempo. También son directamente proporcionales entre sí. Figura 1.14. Circuito Resistivo. En el circuito de la Figura 1.15, el componente resistivo ha sido sustituido por un inductor. Cuando la inductancia se introduce en un circuito, la tensión y la corriente estarán "desfasados", lo que significa que el voltaje y la corriente no se cruzan en cero, o llegar a sus picos y valles, al mismo tiempo. Cuando un circuito tiene un componente inductivo, la corriente (i L) se retrasará al voltaje en una cuarta parte de ciclo. Un ciclo se refiere a 360°, por lo que puede decirse que la corriente está retrasada respecto al voltaje en 90°. 35 Este desfase ocurre porque la reactancia inductiva cambia con la magnitud de la corriente. Recordemos que es el campo magnético cambiante causado por una corriente variable que produce reactancia inductiva. Cuando el cambio en la corriente es mayor, la reactancia inductiva será más grande, y el voltaje a través del inductor será más alto. Cuando el cambio en la corriente es cero, la reactancia inductiva será cero y la tensión en la bobina será cero. Considerando los puntos, donde la corriente alcanza su amplitud de pico y cambia de dirección, en el gráfico inferior de la Figura 1.15 (0°, 180°, y 360°). A medida que la corriente está cambiando de dirección, existe un tiempo muy corto, cuando el cambio en la corriente es cero y no se genera ningún campo magnético para producir la reactancia inductiva. Cuando la reactancia inductiva es cero, la tensión a través del inductor es cero. Figura 1.15. Circuito Inductivo. Los componentes resistivos e inductivos son los de principal interés en las pruebas de corrientes parásitas, ya que la sonda de prueba es básicamente una bobina de alambre, que tiene resistencia y reactancia inductiva. Sin embargo, existe una pequeña cantidad de capacitancia en los circuitos. El circuito de la Figura 1.16 se compone de una fuente de voltaje de corriente alterna y un condensador. La capacitancia en un circuito hace que la corriente (iC) se adelante a la tensión en una cuarta parte de un ciclo (90o corriente de adelanto). Cuando hay resistencia y reactancia inductiva (y / o capacitancia) en un circuito, la oposición combinada al flujo de corriente se conoce como impedancia. 36 Figura 1.16. Circuito Capacitivo. 1.3.7 IMPEDANCIA La impedancia (Z), es la oposición total que un circuito presenta a la corriente alterna. La impedancia se mide en ohmios y pueden incluir resistencia (R), reactancia inductiva (XL) y la reactancia capacitiva (XC). Dado que la reactancia inductiva y reactancia capacitiva están desfasadas 90° con la resistencia y, por tanto, sus valores máximos se producen en momentos diferentes, se debe utilizar la suma de vectores para calcular la impedancia. En la Figura 1.17, se muestra un diagrama que representa un sistema, de inspección por corrientes de Eddy. La sonda de corrientes parásitas es una bobina de alambre, de modo, que contiene reactancia inductiva y resistencia al utilizarla con corriente alterna. La reactancia capacitiva puede ser despreciada, debido a que en la mayoría de las sondas de corrientes de Eddy, su valor es muy pequeño. La línea sólida en el gráfico a continuación muestra la corriente total del circuito, que es afectada por la impedancia total del circuito. Las dos líneas discontinuas representan la porción de la corriente que se ve afectada por las componentes, resistencia y reactancia inductiva individualmente. 37 Figura 1.17. Circuito Resistivo-Inductivo. La relación entre la impedancia y sus componentes individuales (resistencia y reactancia inductiva) se puede representar mediante un vector como se muestra en la Figura 1.18. La amplitud de la componente de resistencia se muestra por un vector a lo largo del eje X y la amplitud de la reactancia inductiva se muestra por un vector a lo largo del eje y. La amplitud de la impedancia se muestra por un vector que se extiende desde cero hasta un punto que representa tanto el valor de resistencia en la dirección x, y la reactancia inductiva en la dirección y. Un instrumento de corrientes de Eddy, que grafique el plano de impedancia, presenta la información en este formato. Figura 1.18. Plano de Impedancia. 38 La impedancia en un circuito con resistencia y reactancia inductiva se puede calcular utilizando la ecuación (1.8). √( El ángulo de fase del circuito también ) (1.8) puede ser calculado utilizando trigonometría. El ángulo de fase es igual a la relación entre la inductancia y la resistencia en el circuito. Con las sondas y los circuitos utilizados en los ensayos no destructivos, la capacitancia por lo general se puede ignorar, por lo que sólo la reactancia inductiva debe tenerse en cuenta en el cálculo. El ángulo de fase se puede calcular utilizando la ecuación (1.9). ⁄ O ( ⁄ ) (1.9) Impedancia y Ley de Ohm Anteriormente, la Ley de Ohm fue discutida para un circuito puramente resistivo. Cuando existe reactancia inductiva o reactancia capacitiva presente en el circuito, la ley de Ohm debe ser escrita para incluir el total de impedancia en el circuito. Por lo tanto, la ley de Ohm se convierte en la ecuación (1.10): (1.10) La ley de Ohm ahora simplemente indica que la corriente (I), en amperios, es proporcional a la tensión (V), en voltios, dividido para la impedancia (Z), en ohmios. En los gráficos de la Figura 1.19 se puede ver cómo la corriente y el voltaje de un circuito se ven afectados por la impedancia. La tensión y corriente se pueden observar cómo se muestran en un osciloscopio. Nótese que la resistencia y/o los valores de reactancia inductiva se deben cambiar para cambiar la impedancia en el circuito. 39 Figura 1.19. Gráficas de Corriente y Voltaje en Circuito R-L. Nótese también que cuando hay inductancia en el circuito, la tensión y la corriente están fuera de fase. Esto se da porque la tensión en la bobina aumentará cuando la variación de cambio de la corriente es mayor. 1.3.8 PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN Y DENSIDAD DE CORRIENTE Las corrientes de Eddy son bucles cerrados de corriente inducida que circulan en planos perpendiculares al flujo magnético. Su viaje, que es paralelo al devanado la bobina y al flujo, se limita a la zona del campo magnético inductor. Las corrientes de Eddy se concentran cerca de la superficie adyacente a la bobina de excitación y su fuerza disminuye con la distancia desde la bobina como se 40 muestra en la Figura 1.20. La densidad de corriente de Eddy disminuye exponencialmente con la profundidad. Este fenómeno se conoce como el efecto skin (piel). Figura 1.20. Intensidad y Profundidad de las corrientes de Eddy. El efecto skin se produce cuando las corrientes parásitas que fluyen en el objeto de prueba, a cualquier profundidad, producen campos magnéticos que se oponen al campo primario, reduciendo así el flujo magnético neto y causando una disminución en el flujo de corriente a medida que aumenta la profundidad. Figura 1.21. Profundidad de Penetración de las corrientes de Eddy. La profundidad de penetración disminuye al aumentar la frecuencia y aumentar la conductividad y la permeabilidad magnética, esto puede ser representado como se muestra en la Figura 1.21. La profundidad, a la que la densidad de corriente de Eddy, ha disminuido a 1/e, o aproximadamente 37% de la densidad superficial, se llama la profundidad de penetración estándar (). La palabra "estándar" denota una onda de campo electromagnético plana, dentro de la muestra (condiciones que rara vez se alcanzan en la práctica). 41 Dado que la sensibilidad de una inspección por corrientes parásitas depende de la densidad de corriente de Eddy en la ubicación del defecto, es importante conocer la fuerza de las corrientes de Eddy en ese lugar. Al intentar localizar defectos, la frecuencia se selecciona de modo que localice la profundidad del defecto, esperado que esté dentro de la profundidad estándar de penetración. Esto ayuda a asegurar que la fuerza de las corrientes de Eddy será suficiente para producir una indicación de falla. Cuando se utiliza las corrientes parásitas para medir la conductividad eléctrica de un material, la frecuencia a menudo se establece para que se produzcan tres profundidades estándar de penetración dentro del material. Esto ayuda a asegurar que las corrientes de Foucault serán tan débiles en el lado posterior del material, que los cambios en el espesor del material no afectarán a las mediciones de las corrientes parásitas. Los gráficos de la Figura 1.22 muestran cómo cambia la densidad de corrientes de Eddy en diferentes materiales conductores ( a) Cobre, b) Aluminio, c) Hierro). Para calcular la profundidad de penetración estándar se utiliza la ecuación (1.11): ⁄√ Donde: = Profundidad de penetración estándar (mm) = 3.14 f = Frecuencia de prueba (Hz) = Permeabilidad magnética (H/mm) = Conductividad eléctrica (% IACS) (1.11) 42 a) Cobre b) Aluminio c) Hierro Figura 1.22. Ejemplos de Densidad y Profundidad de corrientes de Eddy. 43 1.3.9 RETRASO DE FASE El retraso de fase es un parámetro de la señal de corriente de Eddy, el cual, hace que sea posible obtener información acerca de la profundidad de un defecto dentro de un material. El retraso de fase es el cambio en el tiempo entre la respuesta de corrientes parásitas desde una interrupción en la superficie y una interrupción a cierta distancia por debajo de la superficie. La generación de corrientes de Eddy puede ser considerado como un proceso dependiente del tiempo, lo que significa que las corrientes de Eddy debajo de la superficie toman un poco más de tiempo para formarse, de las situados en la superficie. Las interrupciones en las corrientes de Foucault, a mayor distancia de la superficie, producen más retardo de fase que las interrupciones cercanas a la superficie. Tanto el voltaje de la señal y la corriente tendrá este cambio de fase o desfase con la profundidad, que es diferente del ángulo de fase que se describió anteriormente. (Con el ángulo de fase, la corriente se desplaza con respecto a la tensión). El retraso de fase es un parámetro importante en las pruebas de corriente de Foucault, ya que hace posible estimar la profundidad de un defecto, y con muestras de referencia apropiadas, determinar el tamaño aproximado de un defecto. La señal producida por un defecto depende tanto de la amplitud y fase de las corrientes de Eddy, siendo interrumpidas. Un defecto superficial pequeño y un defecto interno grande, pueden tener un efecto similar sobre la magnitud de impedancia en la bobina de prueba. Sin embargo, debido a que el retardo de fase aumenta con la profundidad, habrá una diferencia en el vector de impedancia de la bobina. El retardo de fase se puede calcular con la ecuación (1.12). El ángulo de retardo de fase calculado con esta ecuación es útil para estimar la profundidad subsuperficial de una discontinuidad, que se concentra en una profundidad específica. Las discontinuidades, como una grieta que se extiende en muchas profundidades, deben ser divididas en secciones a lo largo de su longitud y en un 44 promedio ponderado determinado por la fase y amplitud, en cada posición por debajo de la superficie. En radianes (1.12) En Grados Donde: = Retardo de Fase (Rad o grados) x = Distancia debajo de la superficie (en mm) = Profundidad de penetración estándar (en mm ) En una profundidad estándar de penetración, el retardo de fase es un radián o 57° aproximadamente. Esto significa que las corrientes de Eddy que fluyen a una profundidad de penetración estándar () por debajo de la superficie, se retrasan a las corrientes superficiales en 57°. En dos profundidades de penetración estándar (2), se retrasan a las corrientes superficiales en 114°. Por lo tanto, al medir el retardo de fase de una señal, la profundidad de un defecto puede ser calculada. En el plano de impedancia, la señal de liftoff sirve como la dirección de fase de referencia. El ángulo entre las señales de liftoff y defecto es aproximadamente dos veces el retardo de fase calculada con la ecuación anterior. En las gráficas de la Figura 1.23 se representa la relación entre la profundidad y las dimensiones de una discontinuidad y la rotación producida en el plano de impedancia. Las líneas rojas representan la fuerza relativa del campo magnético de la bobina y las líneas discontinuas indican el retardo de fase de las corrientes de Eddy inducidas, a una profundidad determinada. 45 a) Defecto Sub-Superficial c) Defecto Superficial b) Profundidad de Defecto Superficial d) Comparación de las Señales dadas por todos los Defectos Figura 1.23. Representación en el plano de impedancia de Defectos Físicos. 46 1.4 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DEL PROTOCOLO ZIGBEE13 Varios servicios en la casa conducen a la necesidad de comunicaciones. Internet, conectividad de Multiordenador personal, automatización doméstica, conservación de energía y seguridad. Algunos usos exigen una tarifa baja y varios protocolos de bajo consumo de electricidad. Para satisfacer esta necesidad en el 2000, IEEE el Nuevo Comité de Normas (NesCom) introdujo una red inalámbrica de área personal de bajo consumo (LR-WPAN) el estándar, llamado 802.15.4. En el 2003, Zigbee Alliance introdujo el protocolo Zigbee estándar. El estándar IEEE 802.15.4 define las características de las capas física y MAC para LR-WPANS, como se observa en la Figura 1.24. Zigbee construye sobre el estándar IEEE 802.15.4 y define los datos específicos de capa de red y proporciona una estructura para el programa de uso en la capa de aplicación. Figura 1.24. Modelo basado en el modelo OSI14. 13 14 http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee 47 ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radios digitales de bajo consumo que se basa en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (Wireless Personal Area Network, WPAN). Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. 1.4.1 IEEE 802.15.4 CAPA FÍSICA (PHY)15 Los valores más característicos del estándar se presentan en la Tabla 1.4: Tabla 1.4. Valores Característicos del protocolo IEEE 802.15.4. Bandas de Frecuencia - Rango de Transmisión de 868 MHz – 20kb/s Datos 915MHz – 40kb/s 2.4 GHz – 250kb/s Alcance 10 – 20 m. Latencia < 15 ms Canales 868/915 MHz: 11 Canales 2.4 GHz: 16 Canales Modos de Direccionamiento 64 bits IEEE Canal de Acceso CSMA-CA Seguridad 128 AES Red Hasta 264 dispositivos Rango de Temperatura -40º a +85º C Bandas de Frecuencia - Rango de Transmisión de 868 MHz – 20kb/s Datos 915MHz – 40kb/s 2.4 GHz – 250kb/s La capa física es la capa de red más básica, proporcionando únicamente los medios para transmitir bit a bit sobre un enlace de datos físico conectado a nodos de red. Las cadenas de bits pueden ser agrupadas en palabras codificadas o símbolos, y convertidas a señales físicas, que son transmitidas sobre un medio de transmisión físico. La capa física proporciona un interfaz eléctrico, mecánico y procedimental para el medio de transmisión. En este nivel se especifican las características de los 15 http://es.wikipedia.org/wiki/Nivel_físico 48 conectores eléctricos, sobre que frecuencias retransmitir, que esquema de modulación usar y parámetros de bajo nivel similares. 1.4.1.1 Canales IEEE 802.15.416 En el IEEE 802.15.4 se definen 27 canales de frecuencia entre las tres bandas anteriormente mencionadas, los que se representan en la Figura 1.25. La PHY de los 868/915MHz soporta un sólo canal entre los 868 y los 868.6 MHz , y diez canales entre los 902.0 y 915.0MHz. Debido al soporte regional de esas dos bandas de frecuencias, es muy improbable que una sola red utilice los 11 canales. Sin embargo, las dos bandas se consideran lo suficientemente cercanas en frecuencia y pueden utilizar el mismo hardware y así reducir los costos de fabricación. La PHY de los 2.4 GHz soporta 16 canales entre los 2.4 y los 2.4835 GHz con un amplio espacio entre canales (5 MHz) con el objetivo de facilitar los requerimientos de filtrado en la transmisión y en la recepción. Figura 1.25 Canales del IEEE 802.15.4 1.4.1.2 Modulación La PHY en los 868/915 MHz utiliza una aproximación simple DSSS en la cual cada bit transmitido se representa por un chip -15 de máxima longitud de secuencia (secuencia m). Los datos binarios son codificados al multiplicar cada 16 Ref. [7] 49 secuencia m por +1 o -1, y la secuencia de chip que resulta se modula dentro de la portadora utilizando BPSK (Binary Phase Shift Keying). Antes de la modulación se utiliza una codificación de datos diferencial para permitir una recepción diferencial coherente de baja complejidad. La capa física a 2.4 GHz, por su parte, emplea una técnica de modulación semi-ortogonal basada en métodos DSSS (con propiedades similares). Los datos binarios están agrupados en símbolos de 4 bits, y cada símbolo especifica una de las 16 secuencias de transmisión semi-ortogonales de código de pseudo-ruido (PN). Las secuencias PN son concadenadas para que sean datos de símbolos exitosos, y la secuencia agregada al chip es modulada en la portadora utilizando MSK (Minimum Shift Keying). El uso de símbolos “casi ortogonales” simplifica la implementación a cambio de un desempeño ligeramente menor (< 0.5 dB). En la Figura 1.26 se representa el envío de datos. En términos de eficiencia (energía requerida por bit), la señalización ortogonal mejora su funcionamiento en 2 dB sobre la BPSK diferencial. Sin embargo, en términos de sensibilidad de recepción, la capa física 868/915 MHz tiene una ventaja de 6-8 dB debido a que tiene velocidades de transmisión más bajas. Figura 1.26. Envío de Datos17. 1.4.1.3 Sensibilidad y potencia18 Las especificaciones actuales de sensibilidad de la norma IEEE 802.15.4 especifican –85dBm para la capa física a 2.4GHz y -92dBm para la capa de física a 868-915MHz. Dichos valores incluyen margen suficiente para las tolerancias 17 18 Ref [7]. Ref [7]. 50 que se requieren debido a las imperfecciones en la fabricación, de la misma manera que permite implementar aplicaciones de bajo coste. En cada caso, los mejores equipos deben ser del orden de 10dB mejores que las especificaciones. Naturalmente, el rango deseado estará en función de la sensibilidad del receptor, así como de la potencia del transmisor. El estándar IEEE 802.15.4 especifica que cada dispositivo debe de ser capaz de transmitir al menos a 1mW, pero dependiendo de las necesidades de la aplicación, la potencia de transmisión puede ser mayor o menor para aprovechar la energía. Los dispositivos típicos (1mW) deben cubrir un rango de entre 10-20 m; sin embargo, con una buena sensibilidad y un incremento moderado en la potencia de transmisión, una red con topología tipo estrella puede proporcionar una cobertura total para espacios pequeños. Para aplicaciones que requieran mayor tiempo de latencia, la topología tipo punto a punto ofrece una alternativa atractiva con buenas coberturas en distancias cortas, dado que cada dispositivo sólo necesita suficiente energía para comunicarse con su vecino más cercano. 1.4.2 IEEE 802.15.4 CAPA MAC19 1.4.2.1 Capa de enlace de datos IEEE 802 divide la capa de enlace de datos (DLL) en dos subcapas, la subcapa de enlace de acceso a medios (MAC) y la de control de enlaces lógicos (Logical link control, LLC). El LLC es común a todos estándares 802, mientras que la subcapa MAC depende del hardware y varía respecto a la implementación física de esta capa. La capa MAC proporciona dos servicios, teniendo acceso por dos VIAS como se observa en la Figura 1.27: 19 Ref. [7] y [8] 51 El servicio de datos MAC, teniéndolo acceso por la subcapa de parte común (MCPS), vía de datos (MCPSSAP). El servicio de dirección de MAC, tenido acceso por el MLMESAP. Figura 1.27. Acceso de Vías20. Las características de IEEE 802.15.4 son. Asociación y disociación. Entrega de marco reconocida. Canaliza el mecanismo de acceso. validación de estructura Dirección de intervalo de tiempo garantizada. Dirección de faro. El formato general de las tramas MAC se diseño para ser muy flexible y que se ajuste a las necesidades de las diferentes aplicaciones con diversas topologías de red al mismo tiempo que se mantenía un protocolo simple. El formato general de una trama MAC se muestra en la Figura 1.28. A la trama del MAC se le denomina unidad de datos de protocolos MAC (MPDU) y se compone del encabezado MAC (MHR), unidad de servicio de datos MAC (MSDU) y pie de MAC (MFR). El primer campo del encabezado de trama es el campo de control. Este indica el tipo de trama MAC que se pretende trasmitir, especifica el formato y la dirección 20 Ref. [7] 52 de campo y controla los mensajes de enterado. En pocas palabras, la trama de control especifica como es el resto de la trama de datos y que es lo que contiene. El tamaño de las direcciones puede variar entre 0 y 20 bytes. Por ejemplo, una trama de datos puede contener información de la fuente y del destinatario, mientras que la trama de enterado no contiene ninguna información de ninguna dirección. Por otro lado, una trama de guía solo tiene información de la dirección de la fuente. Esta flexibilidad en la estructura ayuda a incrementar la eficiencia del protocolo al mantener los paquetes lo más reducidos posible. Figura 1.28. Formato general de la trama a.C. El campo llamado apiolad es variable en longitud; sin embargo, la trama completa de a.C. no debe de exceder los 127 bates de información. Los datos que lleva el apiolad dependen del tipo de trama. El estándar i.e. 802.15.4 tiene cuatro diferentes tipos de tramas. Estas son la trama de guía (Figura 1.29), de datos (Figura 1.30), tramas de enterados (Figura 1.31) y tramas de comandos a.C. (Figura 1.32). Figura 1.29. Trama de guía, usada por un coordinador para enviar guías. 53 Figura 1.30. Trama de datos, usada para todas las transferencias de datos. Figura 1.31. Trama de enterados, para confirmar el éxito de la recepción de la trama. Figura 1.32. Trama de comandos MAC, para manejo de todas las transferencias de control. Solo las tramas de datos y de guía contienen información proveniente de capas superiores; las tramas de mensajes de enterado y la de comandos MAC originados en el MAC son usadas para comunicaciones MAC punto a punto. Otros campos en la trama MAC son una secuencia de números al igual que tramas de chequeo (FCS). La secuencia de números en los encabezados enlaza a las tramas de acknowledgment con trasmisiones anteriores. La transmisión se considera exitosa solamente cuando la trama de enterado contiene la misma secuencia de números que la secuencia anterior trasmitida. Las FCS ayudan a verificar la integridad de las tramas del MAC. 54 1.4.2.1.1 Control de enlaces lógicos21 Es la más alta de las dos subcapas de enlace de datos definidas por el IEEE y la responsable del control de enlace lógico. La subcapa LLC maneja el control de errores, control del flujo, entramado y direccionamiento de la subcapa MAC. En ella se contemplan los protocolos y las interfaces. El estándar IEEE incluye esta subcapa que añade las etiquetas estándar de 8-bit DSAP (Destination Service Access Point) y SSAP (Source Service Access Point) a los paquetes del tipo de conexión. También hay un campo de control de 8 o 16 bits usado en funciones auxiliares como Control de flujo. Hay sitio para 64 números SAP globalmente asignados. 1.4.2.2 Redes tipo estrella y peer to peer22 La topología a escoger es una elección de diseño y va a estar dada por la aplicación a la que se desee orientar; algunas aplicaciones como periféricos, requieren de conexiones de baja potencia de tipo estrella, mientras que otras como los perímetros de seguridad requieren de una mayor área de cobertura por lo que es necesario implementar una red peer-to-peer. En la Figura 1.33 se observan las diferentes topologías para ZigBee. La topología de estrella define el modelo de red de master-slave (maestroesclavo). El amo es un FFD y los esclavos pueden ser FFDS O RFDS. En una topología red y de árbol, un FFD puede dirigirse a otro FFDS dentro de la extensión de su radio y puede retransmitir mensajes a otro FFDS fuera de su radio de cobertura por un FFD intermedio, formando una red de multi-salto. La topología red es una topología verdadera peer to pear, donde las guías no son aplicados. 21 22 http://es.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.2 y http://es.wikipedia.org/wiki/Control_de_enlace_l%C3%B3gico http://www.zigbee.org 55 Figura 1.49. Diferentes Topologías para ZigBee. 1.4.3 ZigBEE23 Las responsabilidades de la capa de red ZigBee son: Inicializar una red (NLME): La capacidad de establecer satisfactoriamente una nueva red. Unirse y dejar una red (NLME): La capacidad de ganar miembros (agrupar) o eliminar miembros (abandonar) una red. Configuración de un nuevo dispositivo (NLME): La capacidad de configuración requerida para una operación. Dirección (NLME): La capacidad de un coordinador, ZigBee, para asignar direcciones a dispositivos que unen la red. Topología específica de enrutamiento (NLDE): La capacidad de transmitir un NPDU a un dispositivo apropiado, que es el destino final de la comunicación o el siguiente paso hacia el destino final en la cadena de comunicación. Descubrimiento vecino (NLME): La capacidad de descubrir, registrar, y relatar información que pertenece a los vecinos (one-hop) de un dispositivo. Descubrimiento de enrutamiento (NLME): Enmarca el enrutamiento a sus destinos intencionados. 23 Ref [9] y http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee_%28especificaci%C3%B3n%29 56 La especificación completa de este estándar se obtiene añadiendo cuatro componentes principales: los niveles de red y aplicación, los objetos de dispositivo ZigBee (ZigBee Device Objects, ZDO) y objetos de aplicación definidos por el fabricante, que permiten la personalización y adaptación, y favorecen la integración total. Además de añadir dos capas de alto nivel a la pila de protocolos ya existente, el principal cambio es la adición de ZDOs, que son responsables de llevar a cabo una serie de cometidos, entre los que se encuentran el mantenimiento de los roles de los dispositivos, la gestión de peticiones de unión a una red, el descubrimiento de otros dispositivos y la seguridad. Figura 1.34. ZigBee y 802.15.424. 24 Ref [9] 57 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LAS ETAPAS DEL SISTEMA 2.1 ARQUITECTURA DEL SISTEMA Un equipo de corrientes inducidas que permita la visualización de un plano de impedancias requiere adquirir los valores de impedancia y ángulo de fase presentes en la sonda a diferentes frecuencias seleccionables. El diseño del equipo se divide en dos partes principales: hardware y software. Las etapas del hardware se muestran en la Figura 2.1, desde la sonda hasta los visualizadores que comprende una computadora remota y una pantalla TFT local. Generador de Señales Sonda (Bobina) HMI (PC) Acondiciona miento Sistema Microcontro lado Pantalla TFT Figura 2.1. Etapas del hardware del equipo de corrientes inducidas. La etapa de generador de señales se encarga de proveer una onda senoidal variable de 50kHz hasta 500kHz necesaria para energizar la sonda. La etapa del generador de señales consta de un circuito controlado por el sistema microcontrolado. 58 La sonda está conformada por un alambre fino bobinado de tal forma que sensa las variaciones del campo magnético lo que permite determinar el cambio de impedancia y ángulo de fase al ser excitado por un voltaje alterno. La etapa de acondicionamiento es la más delicada de las etapas debido a que como su nombre lo indica se encarga de acondicionar las variables del sensor para determinar la impedancia y el ángulo de fase necesario. Esta etapa busca acondicionar la señal de tal forma que pueda ingresar al conversor análogo digital del microcontrolador sin causar ningún daño. El sistema microcontrolado es el encargado de recibir las señales acondicionadas del sensor para procesarlas y obtener el valor de impedancia y ángulo de fase. Además se encarga de controlar la etapa de generación de señales, de la comunicación con los módulos ZigBee para enviar los datos a una computadora remota para mostrar los mismos de forma adecuada y también se encarga de controlar la pantalla táctil. En el computador remoto se usa LabVIEW para ejecutar una HMI amigable al usuario que permite ver y analizar los datos obtenidos por el equipo de corrientes inducidas. La comunicación con una computadora nos ayudará a guardar los datos y los gráficos obtenidos por el aparato de medida para imprimirlos y registrarlos en una base de datos. El equipo diseñado es portátil y autónomo, los datos que obtiene se muestran en la pantalla y algunas variables como la frecuencia pueden ser seleccionadas desde la pantalla táctil por medio de un menú. 2.2 GENERADOR DE SEÑALES El generador de señales utilizado es un dispositivo DDS de baja potencia hasta 75MHz, capaz de generar una onda senoidal y triangular de alto rendimiento. Se puede sintonizar a 75MHz con una resolución de 0.28Hz y a 1MHz con una resolución de 0.004Hz. El consumo de 20mW de potencia con 3V y la capacidad 59 de modulación de fase (PSELECT) y frecuencia (FSELECT) hacen que sea una opción muy recomendada. La fuente de alimentación puede ser de 3V a 5V, con independencia de la parte digital y analógica. Para reducir el consumo de corriente posee un SLEEP externo para controlar el encendido del dispositivo. Los registros de frecuencia tienen 28 bits, los cuales pueden ser modificados por una interfaz serial de 3 cables, con una velocidad máxima de reloj de 40MHz, compatible con cualquier microcontrolador o dispositivo DSP. 2.2.1 DESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN DE LOS PINES DEL AD9834 El AD9834 es un dispositivo de 20 pines como se muestra en la Figura 2.2, cuyas funciones se pueden dividir en 3 etapas: fuente de alimentación, señales analógicas, e interfaz digital, como se detalla en la Tabla 2.1 de descripción de los pines. Figura 2.2. Distribución de pines. 60 Tabla 2.1. Descripción de las funciones de los pines25. No. Pin Mnemónico Descripción Señal analógica y referencia. 1 FS_ADJUST Control de ajuste de fondo de escala. Una resistencia es conectada entre este pin y GND para determinar el fondo de escala (full-scale) de la corriente de la DAC, cuya relación es: IOUTFULL SCALE = 18 × FSADJUST/R SET FSADJUST = 1.15 V nominal, R SET = 6.8 k tipico. 2 REFOUT Salida del voltaje de referencia. El voltaje de referencia del AD9834 es de 1.2V que y está disponible en este pin. 3 COMP DAC Bias Pin. Este pin es usado para desacoplar la tensión de alimentación de la DAC. 17 VIN Entrada al Comparador. El comparador puede ser usado para generar una onda cuadrada a la salida del DAC senoidal. La salida de la DAC debe ser filtrada apropiadamente antes de ser aplicada al comparador para mejorar las fluctuaciones de fase. Cuando el bit OPBITEN y el bit SIGN/PIB en el registro de control se establece a 1. La entrada del comparador está conectada al VIN. 19,20 IOU, IOUTB Corriente de salida. Esta es una fuente de corriente de alta impedancia. Una resistencia de carga de 200 Ω nominal debe estar conectada entre IOUT y AGND. IOUTB preferiblemente debe estar vinculado a través de una resistencia de carga externa de 200 Ω a AGND, pero puede estar vinculada directamente a AGND. También se recomienda un condensador de 20 pF a AGND para evitar realimentación reloj. Fuente de alimentación 4 AVDD Positivo de la fuente de alimentación para la sección analógica. AVDD puede tener un valor de 2,3 V a 5,5 V. Un condensador de desacoplamiento de 0,1µF debe ser conectado entre AVDD y AGND. 25 8. Hoja de datos ANALOG DEVICES 20 mW Power, 2.3 V to 5.5 V, 75 MHz Complete DDS AD9834, pag. 61 5 DVDD Positivo de la Fuente de alimentación para la sección digital. DVDD puede tener un valor de 2,3 V a 5,5 V. Un condensador de desacoplamiento de 0,1µF debe ser conectado entre DVDD y DGND. 6 CAP/2.5V La circuitería digital opera desde con fuente de alimentación de 2,5 V. Este 2,5 V se genera a partir de DVDD utilizando un regulador incluido (cuando DVDD supera 2,7 V). El regulador requiere un condensador de desacoplamiento típico de 100 nF conectado desde CAP/2.5 V a DGND. Si DVDD es igual o inferior a 2,7 V, CAP/2.5 V debe ser cortocircuitado a DVDD. 7 DGND Tierra digital 18 AGND Tierra analógica Interfaz digital y control 8 MLCK Entrada Digital del Reloj. Las frecuencias de salida del DDS se expresan como una fracción binaria de la frecuencia de MCLK. La precisión de la frecuencia de salida y el ruido de fase son determinadas por este reloj. 9 FSELECT Entrada de la Selección de Frecuencia. FSELECT controla el registro de frecuencia, FREQ0 o FREQ1, se utiliza en el acumulador de fase. El registro de frecuencia puede ser seleccionado mediante el pin FSELET o el bit FSEL. Cuando se utiliza el bit FSEL para seleccionar el registro de frecuencias, el pin FSELECT debe estar vinculada al CMOS de alta o baja. 10 PSELECT Entrada de la Selección de Fase. PSELECT controla el registro de fase, PHASE0 o PHASE1, se añade al acumulador de fase. El registro de fase puede ser seleccionado mediante el pin PSELET o el bit PSEL. Cuando los registros de fase están siendo controlados por el bit PSEL, el pin PSELECT debe estar vinculado al CMOS de alta o baja. 11 RESET Entrada digital activa en alto. RESET Restablece los registros internos apropiados a cero, esto corresponde a una 62 salida analógica de media escala. RESET no afecta a ninguno de los registros direccionables. 12 SLEEP Entrada digital activa en alto. Cuando este pin esta en alto, el DAC está apagado. Este pin tiene la misma función que el bit de control SLEEP12. 13 SDATA Entrada serial de datos. Los 16 bits de datos seriales son aplicados a esta entrada. 14 SCLK Entrada de reloj serial. Los datos son registrados en el AD9834 en cada caída de borde del SCLK. 15 FSYNC Entrada de control activa en baja. Esta es la señal de sincronización de trama para los datos de entrada. Cuando FSYNC esta baja, la lógica interna informa que una nueva palabra se está cargando en el dispositivo. 16 SIGN OUT BIT Salida lógica. La salida del comparador está disponible en este pin o, alternativamente, el MSB de la NCO puede salir por este pin. El bit de ajuste OPBITEN en el registro de control activa este pin de salida en 1. El bit SIGN/PIB determina si la salida del comparador o el MSB de la NCO sale por el pin. 2.2.2 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN El AD9834 presenta diversas formas de salida, que pueden adaptarse a un sinnúmero de aplicaciones, una de las cuales es la modulación. Modificar los valores de frecuencia y fase, dan la posibilidad de ser más versátil y utilizarlos en PSK, GMSK, QPSK entre otros. La interfaz que permite variar los registros y con ellos variar los parámetros del dispositivo, es una comunicación serial de 3 cables, la cual permite la comunicación con muchos dispositivos electrónicos como los microcontroladores o los DSP. Este dispositivo trabaja como esclavo, con una frecuencia máxima de 40MHz de la entrada de reloj serial (SCLK). Los datos con 16 bits ingresan por SDATA, 63 estos datos son válidos únicamente si está en bajo el selector de dispositivos (FSYNC). Figura 2.3. Diagrama de flujo de inicialización de la interfaz26. En la Figura 2.3 se muestra un diagrama de flujo que indica la inicialización del dispositivo para establecer los parámetros para ser usado. 2.2.3 ACONDICIONAMIENTO DEL GENERADOR DE SEÑALES En las hojas de datos del AD9834, se indica la conexión típica recomendada por el fabricante, la cual se muestra en la Figura 2.4. La salida de este dispositivo es de corriente, por esta razón el fabricante recomienda usar una resistencia de 200 Ω, para cumplir con la corriente máxima de 3 mA y el voltaje máximo de salida de 0.6 V. 26 Hoja de datos ANALOG DEVICES 20 mW Power, 2.3 V to 5.5 V, 75 MHz Complete DDS AD9834 3.3v 64 0.1uF 6 5 4 0.1uF CAP GO14 GO13 GO15 GO11 3.3v GO12 GO9 GO10 CRISTAL 50MHZ 2 1 2 1 14 13 15 11 12 9 10 8 SCLK SDATA FSYNC RESET SLEEP FSELECT PSELECT MCLK DGND 1nF 7 COM REFOUT FS Adjust IOUTB IOUT VIN SIGN BIT OUT 6.8k 0.1uF 0.01uF DVDD AVDD 3 2 1 Sig. 1 Sig. 2 20 19 17 16 200 0.1uF 200 0.1uF AGND 18 AD9834 GO Figura 2.4. Diagrama de conexión del generador de señales. La señal generada por el AD9834 tiene un pico máximo de 0,6 V y se encuentra completamente en el cuadrante positivo del voltaje, por lo cual la señal debe ser amplificada, pasar por un filtro pasa alto y aislar del circuito siguiente. Para esto se usa la configuración de un amplificador no inversor con el amplificador operacional TLE2074 y una resistencia de precisión para calibrar el valor deseado, se desea tener un voltaje pico de 3 V, por lo tanto utilizamos las ecuaciones (2.1) y (2.2), para determinar la ganancia: (2.1) (2.2) (2.3) Por la ecuación (2.3) se tiene que la resistencia R1 debe tener un valor de 10 KΩ y el potenciómetro de precisión debe ser de 100 KΩ (calibrado a 60 KHz). 65 V12 U1:A 1 2 U1:B 4 4 IN_SIG C1 3 1 5 2 7 2.2nF 6 R2 TLE2074 150k 11 11 TBLOCK-I2 TLE2074 3 V-12 2 1 RV1 R1 100K U1:C 4 4 U1:D 1 10k 10 8 12 9 14 TLE2074 2 1k 11 11 13 R4 SONDA TLE2074 1 2 3 TBLOCK-I2 2 1 3 RV2 R3 3.3k 100K R5 1 Figura 2.5. Diagrama de acondicionamiento de la señal del generador de ondas. Amplificada la señal pasa por un filtro pasa altos pasivo, porque solo queremos eliminar la componente continua de la señal. Para diseñar este filtro se utiliza la ecuación (2.2) para una frecuencia de corte de 500 Hz (puede ser inferior o un poco mayor). (2.4) 66 (2.5) Despejada la resistencia, ecuación (2.5), se elige un capacitor bajo de 2.2 nF para no tener problemas con altas frecuencias, por lo tanto se tendrá una resistencia aproximadamente de 150 KΩ. Para evitar fallas con el acoplamiento entre circuitos al final del circuito se agrega un amplificador operacional como seguidor. Para finalizar el acondicionamiento se añade una etapa amplificadora para establecer el voltaje a 6 V, voltaje suficiente para excitar a la sonda. La entrada a esta etapa se considera que tiene un voltaje pico de 3 V, ya que la atenuación del filtro no es considerable, usamos nuevamente las ecuaciones (2.1) y (2.2). (2.6) Se deduce de la ecuación (2.6), que la resistencia y el potenciómetro de precisión deben tener el mismo valor, el valor más conveniente es de 10 KΩ. La Figura 2.5 muestra el diagrama de conexión del acondicionamiento de la señal del generador, la cual está lista para excitar a la sonda después de pasar por un amplificador en modo seguidor para el acople de impedancias. 2.3 ACONDICIONAMIENTO DE LAS VARIABLES DE LA SONDA. La etapa de acondicionamiento está conformada por varias subetapas para tener valores adecuados que ingresen al conversor análogo digital del sistema microcontrolado. Para determinar el valor de impedancia y ángulo de fase necesarios para graficar el plano de impedancias, se debe adquirir los datos de voltaje y corriente de la sonda, primeramente con las señales de voltaje y 67 corriente se determina el desfase que existe entre dichas señales; posteriormente se usaran las mismas señales obtenidas de la sonda para determinar su magnitud que nos permitirá determinar su valor de impedancia. Impedancia Sonda Valor Absoluto Retenedor de picos Multiplicado r de señales Acondiciona miento Acondiciona miento Adquisición de señales Ángulo Sistema Microcontrolado Figura 2.6. Arquitectura de la etapa de acondicionamiento. En la Figura 2.6 se puede ver con claridad el proceso por el cual deben pasar las señales. 2.3.1 ADQUISICIÓN DE LAS VARIABLES DE LA SONDA. La sonda esta excitada por una señal senoidal de frecuencia variable de 50 KHz a 500 KHz, la cual se configura para la adquisición de su señal de voltaje y corriente. En la Figura 2.7 se muestra la conexión de la sonda que se encuentra conectada en serie con una resistencia la cual toma el nombre de resistencia Shunt (Rshunt), debido a que se usará para conocer el valor del voltaje y determinar el valor de corriente de la misma. Para determinar el valor de Rshunt se utiliza el voltaje pico del generador de señales VGp = 6 V, que alimenta a la sonda que tiene una resistencia interna de 4.3 Ω (Rb). En la Tabla 2.2 se muestra una comparación entre dos valores de resistencia shunt y los valores de voltaje que se obtendrá en Rshunt. 68 1 Rshunt 2 Is Generador señales Terminales 1-2 Corriente 2-3 Voltaje Sonda 3 Figura 2.7. Conexión de la sonda y terminales para medición. Tabla 2.2. Comparación entre dos valores de resistencia shunt. Según la ley de ohm, Según la ley de ohm, ecuación (1.1): ecuación (1.1): ( ) Reemplazando: ) Reemplazando: ( ( ( ) ) ( ( ) ) Aplicando la ley de ohm, Aplicando la ley de ohm, ecuación (1.1), a Rshunt: ecuación (1.1), a Rshunt: Reemplazando: Reemplazando: De la tabla anterior se concluye que el mejor valor de resistencia seria Rshunt = 1000 Ω, debido a que permite evitar una corriente excesiva en la sonda y el valor de voltaje shunt que se obtiene es mayor al voltaje con la Rshunt=1 Ω. 69 La adquisición se la realiza utilizando amplificadores operacionales de alta frecuencia (TLE2074), para obtener mayor precisión; primero se usan en la configuración de seguidor para aislar la sonda de la segunda etapa que son amplificadores en modo diferencial, en la Figura 2.5 se muestran los puntos de conexión (1, 2 y 3) para obtener las señales de la sonda y en la Figura 2.8 se muestra el circuito de adquisición de las señales de voltaje y corriente. Los TLE2074 son alimentados con una fuente de +12 V / -12 V ya que se adquieren y amplifican voltajes alternos. V12 U2:B 4 Corriente 5 7 6 R6 U2:C U3:B 4 1 4 15k 10 8 R8 5 9 7 6 11 15k V-12 R7 15k 4 TLE2074 R9 4 U2:A TLE2074 11 11 TLE2074 2 15k 3 1 11 2 TLE2074 Voltaje V12 R10 U3:A U3:D 4 4 33k 4 U2:D 3 14 13 1 R12 12 2 14 13 11 33k TLE2074 R11 TLE2074 11 12 11 3 TLE2074 18k V-12 R13 18k Figura 2.8. Conexión amplificador de instrumentación AD620 para determinar la corriente. 5 70 El voltaje máximo deseado en el terminal 4 es 6 V para evitar que se sature el amplificador, por lo cual nos referimos a la Tabla 2.2 que muestra un Vshunt = 5,97 V, que implica tener una ganancia unitaria. En cambio para adquirir la señal de voltaje de la sonda se toman los terminales 2 y 3 que se muestran en la Figura 2.5 y Figura 2.8, los mismos que se conectan a través de amplificadores en modo seguidor para aislamiento a un amplificador operacional configurado como diferencial que amplifica la señal, y la salida se tiene por el terminal 5 como se muestra en la Figura 2.8. Mediante pruebas preliminares realizadas se obtuvo un voltaje pico en el terminal 5 de 11 V a una frecuencia de 500 KHz, por esta razón se calcula la ganancia del amplificador diferencial como un reductor y así tener un valor máximo de 6 V. El valor de R10 y R12 son los mismos, al igual que R11 y R13. Se realizan los cálculos con las ecuaciones (2.1) y se iguala a la ecuación (2.7). (2.7) (2.8) Para la resistencia de la ecuación (2.8) se elige un valor de R10=33 KΩ, y se determina un valor de R11=18 KΩ. En la Figura 2.8 se muestra la conexión y valores de los circuitos de adquisición de las señales de voltaje y corriente. A continuación las señales de voltaje obtenidas tomaran dos caminos diferentes, con el objetivo de acondicionarlas de forma analógica y tener un voltaje que represente su valor con una variación de 0 a 3.3 V, lo que permite conectar las señales al microcontrolador. Se divide en dos caminos porque hay dos variables que se desea determinar en base a la corriente y voltaje de la sonda que son: impedancia y ángulo de fase; 71 para la primera variable necesito el valor pico de la corriente y voltaje para encontrar su valor. 2.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE VARIABLES PARA DETERMINAR LA IMPEDANCIA Para acondicionar las dos señales deben pasar por un circuito rectificador de onda completa de precisión, lo cual permitirá eliminar los valores negativos de las señales, posteriormente pasará por un circuito llamado retenedor de picos que permitirá tener un valor de voltaje que represente el voltaje pico de la señal de entrada de forma actual. 2.3.2.1 Circuito rectificador de precisión de onda completa En la Figura 2.9 la señal de entrada se conecta a las entradas del amplificador operacional no inversor para obtener así una impedancia de entrada alta. En la Figura 2.9 a) se muestra lo que sucede cuando las entradas son positivas. E i y Ri definen la corriente que pasa por el diodo Dp. Las entradas (-) de ambos amplificadores operacionales tienen un potencial igual a Ei por lo que no pasa ninguna corriente por R2, R3 y R4. Por lo tanto para todo voltaje de entrada positivo, Vo = Ei. 72 a) Niveles de voltaje para entradas positivas: Vo = +Ei para todos los valores positivos de Ei. b) Niveles de voltaje para entradas negativas: Vo = -(-Ei) = | Ei |. Figura 2.9. Rectificador de onda completa de precisión con alta impedancia de entrada.27 27 Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, pag. 192-195. 73 En la Figura 2.9 b), cuando Ei se vuelve negativo, Ei y R1 definen la corriente que pasa por R1 y por R2 a fin de activar el diodo DN. Dado que R1 = R2, el ánodo de DN asume el valor 2Ei ó 2(-Ei) = -4 V. La entrada (-) del amplificador operacional B tiene el valor –Ei. La caída de voltaje por R3 es 2Ei – Eio (-4 V). La entrada (-) del amplificador operacional B tiene el valor –Ei. La caída de voltaje por R3 es 2Ei – Eio (-4 V) – (-2) = -2 V. Esta caída de voltaje y R3 determinan la corriente I3 que pasa a través de R3 así como por R4, la cual es igual a la corriente de entrada I. Por lo tanto, Vo es positivo cuando Ei es negativo. De esta forma, Vo siempre es positivo, independientemente de la polaridad de Ei, por lo que Vo = |Ei |. Las formas de onda de este circuito se muestran en la Figura 2.10. El valor máximo de Ei está limitado por el voltaje de saturación negativo de los amplificadores operacionales. Figura 2.10. Formas de onda del Circuito de valor absoluto o rectificador de onda completa de precisión, Vo = │Ei│. Este circuito es implementado para rectificar las señales de voltaje y corriente de la sonda con una pequeña variación para tener una respuesta más rápida y que su respuesta sea más estable, como se muestra en la Figura 2.11. Las variaciones del circuito son simples primero las entradas no inversoras se conectan directo a GND y el voltaje que ingresaba por ellas se conecta a la 74 entrada inversora por medio de una resistencia; para el amplificador A se usa una resistencia R y para el amplificador B se usa una resistencia 2R. El funcionamiento es exactamente el mismo y para implementarlo solo se elige un valor adecuado de R lo suficientemente alto como para disminuir la corrientes de fuga, para este equipo se ha elegido un valor de R = 100 kΩ, por lo tanto los demás valores quedan definidos como se muestra en la Figura 2.11. Ahora que la señal obtenida es netamente positiva, se puede eliminar todos los valores que no aportan ninguna ayuda para determinar la impedancia, por lo cual el paso a seguir es que la señal pase por un circuito retenedor de picos. R15 R16 R17 100k 100k 200k D1 1N4148 V-12 V-12 D2 100k R18 2 1 200k 3 U5:B 6 7 6 5 R19 4 R14 4 11 11 U5:A 4 Corriente 1N4148 TLE2074 TLE2074 V12 100k V12 R21 R22 R23 100k 100k 200k D3 1N4148 V-12 V-12 D4 R24 13 14 12 200k U5:C 9 8 TLE2074 V12 7 10 R25 4 100k 11 11 R20 5 U5:D 4 Voltaje 1N4148 TLE2074 100k V12 Figura 2.11. Conexión de terminales 4 y 5 al circuito rectificador de precisión de onda completa. 75 2.3.2.2 Seguidor y retenedor de picos positivos En la Figura 2.12 se muestra el circuito de un seguidor y retenedor de pico. El amplificador operacional A es un rectificador de media onda de precisión, que carga a C sólo cuando el voltaje de entrada, Ei, excede al voltaje del capacitor, Vc. La alta impedancia de entrada del seguidor no permite que el capacitor se descargue de manera apreciable. Para analizar el funcionamiento del circuito empezaremos con la Figura 2.12 a). Cuando Ei, excede a Vc, se polariza directamente el diodo Dp para cargar al capacitor de retención C. Mientras Ei sea mayor que Vc, el valor de la carga de C se aproxima a Ei. Por lo tanto, Vc sigue a Ei, en tanto Ei sea mayor que Vc. Cuando Ei desciende por debajo de Vc, el diodo DN se comporta como se muestra en la Figura 2.12 b). Se desactiva el diodo Dp y desconecta a C de la salida del amplificador operacional A. El diodo Dp debe ser del tipo de fuga baja, pues de lo contrario el voltaje del capacitor se descargará (caída). Para reducir al mínimo la caída, es necesario que el amplificador operacional B requiera corrientes de polarización pequeñas. En la Figura 2.13 se muestra un ejemplo de las formas de onda de voltaje de un seguidor y retenedor de pico positivo. Para reiniciar el voltaje del capacitor de retención a cero hay que conectar una trayectoria de descarga con una resistencia de 220 Ω, a través del integrado CD4066, controlado por el microcontrolador. La conexión del CD4066 con el microcontrolador se debe realizar por medio de un arreglo de transistores (configurados como interruptores), teniendo en cuenta que el microcontrolador funciona a 3.3 V y CD4066 funciona a 12 V. 76 En la Figura 2.14 se muestra el circuito final, y sus conexiones de entrada (6 y 7) y salida (8 y 9), este circuito se alimenta con una fuente de +12 V y -12 V para evitar problemas de saturación de los amplificadores operacionales TLE2074. a) Cuando Ei excede a VC, C se carga hacia el valor de Ei a través de Dp. b) Cuando Ei es menor que VC, C mantiene el voltaje al valor previo de Ei más alto. Figura 2.12. Circuito seguidor de pico positivo y retenedor de pico28. 28 Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, pag. 195-196. 77 Figura 2.13. Formas de las ondas correspondientes al detector positivo de la figura 2.12 a)29. 29 Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, pag. 197 78 R26 100k D5 V-12 1N4148 X1 6 D6 2 U6:B 7 1 8 5 3 6 1N4148 4 Corriente 11 U6:A 11 V-12 4 C2 TLE2074 0.1uF TLE2074 V12 V12 R27 10k D7 V-12 1N4148 X2 11 U6:D U6:C 9 D8 13 8 14 9 10 12 7 1N4148 4 Voltaje 11 V-12 4 C3 TLE2074 0.1uF TLE2074 V12 V12 V12 U7:B 11 X1 4066 VDD=V12 VSS=GND X Q2 R44 10 Y C 10k R33 2N3904 X3 12 220 R30 U7:C 4 10k V12 Y 3 R43 Q1 C 10 5 X2 4066 VDD=V12 VSS=GND X R32 2N3904 X4 220 R31 10k Figura 2.14. Conexión del circuito retenedor de picos. 79 2.3.2.3 Acondicionamiento de señales para conexión con el sistema microcontrolado Pruebas realizadas con la sonda revelan que las variaciones producidas por las corrientes de eddy son pequeñas, por lo cual las señales de voltaje y corriente de la sonda, deben ser amplificados para detectar mejor estas señales. La Figura 2.15 muestra el primer circuito de amplificacion que se utiliza para la señal de la corriente de la sonda, se utiliza un amplificador de instrumentacion (AD620), que proporcione una amplificación alta y una impedancia de aislamiento 3 elevada. 2 V12 Corriente 1 RV5 100K 7 1 U8 3 8 6 2 10 Q3 4 8 5 V12 2N3904 AD620 Vref1 V12 R34 100 R36 V-12 910 2 1 7 U9 3 RV6 6 2 10K 5 4 3 D12 1 LM741 1N4728A R35 100 Figura 2.15. Primera etapa de acondicionamiento de la señal de corriente de la sonda. El potenciometro de precisión RV5 se utiliza para establecer un voltaje y usarlo en el AD620 que esta utilizado como un amplificador diferencial. El amplificador 80 operacional U9 (LM741) y el transistor Q3 (2N3904) se utilizan como regulador de voltaje de alta precisión para mantener estable el voltaje de referencia 1 (Vref1). El voltaje del terminal 10 se lo calibra con RV5 a 6V para restarle el pico máximo de variación de voltaje de la sonda, que según pruebas en el amplio rango de frecuencias es de 0.8 V. Según el voltaje maximo pico y el voltaje de referencia 1 (Vref1) el voltaje de entrada Vi1 se calcula con la ecuaciòn (2.9): (2.9) El voltaje de salida debe tener un valor maximo de 4 V y calculamos una ganancia (G1) de la ecuaciòn (2.1): Para calcular la resistencia RV5 para tener la ganancia G1, se usa la ecuación (2.10), que resulta despejando Rv de la ecuación (2.2), así: (2.10) 81 Corriente 3 2 V12 1 RV3 V5 100K V5 U4 U11:B 4 7 1 U11:A 4 6 3 2 R28 1 2 5 7 10k 4 8 5 6 AD0 C4 11 AD620 100nF LM324 11 10 3 LM324 V-12 V12 Q4 2N3904 Vref2 V12 R37 100 R39 910 2 1 7 U13 3 RV4 6 2 10K 5 4 3 D10 1 LM741 1N4728A R38 100 Figura 2.16. Segunda etapa de acondicionamiento de la señal de corriente de la sonda. La Figura 2.16 es la última etapa del acondicionamiento de la señal de corriente, se usa al amplificador de instrumentacion U4, como un amplificador diferencial, cuyas entradas son la señal de corriente amplificada anteriormente, y un voltaje fijado con la resistencia de precision RV4 y un amplificador operacional configurado como seguidor; la ganancia del amplificador U4 es de 1, solo se busca reducir el voltaje a un valor variable de máximo 3.3 V seguro para un microncontrolador, por lo cual se usa una resistencia de precisión de 100 kΩ y se calibra a su máximo. El amplificador operacional U11:A esta configurado como seguidor y es el único que esta alimentado con una fuente de 0 a 3.3 V, como una seguridad extra. 82 La corriente se amplificó a un maximo de 6 V y solo se desea tener un máximo de 3.3 V a la salida de esta etapa, por lo cual se establece un voltaje de 2.7 V con RV4 y se tiene a la salida AD0. ( ) Se añade un filtro pasa bajo a 150 Hz para evitar que cualquier señal inecesaria ingrese al sistema microcontrolado. Y se finaliza con otro seguidor para aislamiento. La señal de voltaje de la sonda ya se ha establecido en varias pruebas realizadas, con varios tipos de metales tiene una variación máxima de 3.3 V con los valores previamente establecidos. La variación de esta señal es suficiente para ser detectada por el sistema microcontrolado por lo que no es necesario ser 3 amplificada. 2 V12 Voltaje 1 RV7 V5 100K V5 U14 U11:C 4 7 1 U11:D 4 6 12 2 14 13 10 8 10k 11 4 8 5 AD620 R29 9 AD1 C5 LM324 100nF 11 9 3 LM324 V-12 Figura 2.17. Etapa de acondicionamiento de la señal de voltaje de la sonda. La etapa de acondicionamiento de la señal de voltaje de la sonda mostrada en la Figura 2.17, comprende un amplificador de instrumentación que tiene una amplificación igual a 1, con una resistencia de precision de 100 kΩ. 83 El amplificador U11:D tiene una alimentacion de 3.3 V para asegurar que el voltaje que ingresa al sistema microcontrolado no sobrepase valores máximos. 2.3.3 ACONDICIONAMIENTO DE VARIABLES PARA DETERMINAR EL ÁNGULO DE FASE Las señales obtenidas en el terminal 4 y 5, son salidas de las señales de corriente y voltaje respectivamente; estas pasan por un amplificador operacional, la señal de corriente es amplificada a un voltaje máximo de 7 V regulado con el potenciómetro de precisión de la Figura 2.18 y la señal de voltaje pasa solamente por un seguidor para aislarla. Estas señales están desfasadas una cierta magnitud por la variación de la profundidad que sensa la sonda (bobina). El desfase (θ) en las señales de voltaje y corriente matemáticamente se expresan con las ecuaciones (2.11) y (2.12): ( ) ( (2.11) ) (2.12) Multiplicando estas funciones entre ellas, se tiene como respuesta una componente constante que es proporcional al ángulo de desfase y una función coseno con una frecuencia que es el doble de la original, ecuación (2.13): ( ( [ ( ( ) { ( ( ) ) ( ) ( ) [ ( (2.13) )] [ )[ [( ) ( ) ( )] )] [( ( ) ( )] ( ) ) ( )]} )] ( ) (2.14) 84 La parte continua de la ecuación (2.14), que es el resultado de la multiplicación, es: ( ) ( ) (2.15) La ecuación (2.15) muestra que la componente continua de la multiplicación de dos funciones de frecuencia diferente nos da como resultado una constante proporcional al coseno del ángulo de fase. La Figura 2.18 a) muestra a un multiplicador cuyas entradas son las señales de la sonda, a la salida se implementará un medidor de voltaje continuo que determinará el valor proporcional del ángulo de fase; el multiplicador que se usa para este equipo es el AD633. En la Figura 2.18 b) muestra la conexión con el multiplicador y la adquisición de la señal resultante, a través del amplificador operacional TLE2074, buscando aprovechar la alta impedancia de entrada y su funcionamiento con altas frecuencias, se lo usa como amplificador no inversor de una ganancia de 3.3 porque el voltaje máximo que se obtiene del multiplicador es 1.8 V y se desea tener un voltaje de 6 V La señal obtenida tiene una componente alterna y una continua, por lo cual, se necesita eliminar la componente alterna para poder medir el ángulo de fase y para esto se usa un filtro pasa bajos. Los filtros activos son una buena opción para evitar la atenuación de la señal con el uso de elementos pasivos. 85 a) Medidor de ángulo de fase V12 4 U1:A U7 1 1 2 3 4 2 TLE2074 10 8 9 3 5 5 11 TLE2074 4 3 R3 V12 U1:B 1 RV2 U1:C AD633JR V-12 2 8 7 6 5 11 11 V-12 Y1 X2 Y2 X1 VS-VS+ Z W 4 3 4 7 6 100K 2 1 RV3 11 5.6k TLE2074 R12 10K 1k b) Conexión y adquisición del multiplicador. Figura 2.18. Multiplicador empleado para medir la diferencia de ángulo de fase entre dos frecuencias iguales. 2.3.3.1 Filtro Butterworth pasa bajos El filtro butterworth pasa bajos es el filtro más utilizado y el más conveniente para eliminar la componente alterna y no atenuar la componente continua. La frecuencia de corte a la cual el filtro debe ser diseñado es de 5kHz. La Figura 2.19 b) muestra una atenuación desde la frecuencia de corte, pero desde 10 veces la frecuencia de corte su valor es insignificante, por esto se ha elegido 10 veces menos la frecuencia de límite inferior del generador. 86 a) Filtro pasa bajos con la pendiente de -40dB/década. b) Gráfica de respuesta en frecuencia para el filtro pasa bajos de la parte a). Figura 2.19. Circuito y gráfica de respuesta en frecuencia para un filtro pasa bajos de -40 dB/décadas. 87 Para el diseño del filtro como se muestra en la Figura 2.19.a se calcula el valor de dos elementos R y C, se selecciona el valor de C según convenga, así: Y para calcular R se tiene la ecuación (2.16): (2.16) Reemplazando valores en la ecuación (2.16) Con R y C calculados se da valores a los elementos de la Figura 2.10, con las siguientes relaciones: C1 2.2nF V12 4 U1:D R2 12k 12k 12 14 13 C2 11 R1 11 TLE2074 1nF V-12 Figura 2.20. Filtro butterworth pasa bajos, diseñado. 12 88 2.3.3.2 Acondicionamiento de la señal multiplicada En esta etapa se busca restar un valor determinado por un potenciómetro de precisión y amplificar la diferencia, para tener una variación entre 0 y 3.3 V, de acuerdo a los campos magnéticos. El voltaje máximo de la señal es de 5 V y el voltaje que se resta es de 2 V para tener como resultado 3.3 V a la salida se usa un AD620 con amplificación unitaria calibrada con un potenciómetro de precisión de 100 KΩ. RV4 100K 1 2 3 V12 7 1 U2 3 12 V12 Q3 6 2 Vref1 4 8 5 AD620 R34 100 R36 AD2 47 2N3904 V12 R4 D2 1N4728A V-12 910 2 1 7 U6 3 RV6 6 2 10K 5 4 3 D12 1 LM741 1N4728A R35 100 Figura 2.21. Circuito de acondicionamiento de la señal de ángulo de fase. Después de ser amplificada la señal pasa por un diodo zener para evitar las variaciones de voltaje y en algún momento la señal exceda los 3.3V, todo este acondicionamiento se muestra en la Figura 2.21. Con todas las señales variables entre 0 y 3.3V, están listas para ser procesadas por un sistema microcontrolado y visualizadas en varias interfaces, tanto local como remota. 89 2.4 SISTEMA MICROCONTROLADO El sistema microcontrolado para este equipo de ensayos no destructivos, funciona en base a un microcontrolador ATXMEGA128A3U. Este microcontrolador tiene un sistema de reloj interno y un circuito de PLL. La pantalla utilizada para el equipo es una TFT de 800x480, para su funcionamiento necesita un bus de 16 pines y el dato de cada píxel contiene 16 bits (un píxel comprimido); por esta razón se necesita una frecuencia de funcionamiento mayor a 20MHz. La mayoría de conversores A/D tienen 10 bits de resolución, las variaciones de las señales son pequeñas, por lo tanto mientras mayor sea la resolución, más precisos serán los resultados. La frecuencia máxima para la operación del microcontrolador es 32 MHz y un conversor A/D con una resolución de 12 bits, estas son las principales características que se utilizó para seleccionar el microcontrolador. La Tabla 2.3 muestra todas las características del microcontrolador ATXMEGA128A3U. Los módulos usados para el control del equipo de ensayos no destructivos son los siguientes: Comunicación: se usa comunicación USART D0 para la interface con una PC remota, comunicación SPI para controlar el generador de señales (AD9834) y conversor para la pantalla táctil (XPT2046). Conversor A/D: usa dos entradas del conversor para determinar la impedancia y una entrada del conversor para determinar el ángulo. Timer: se utiliza el TIMER1 para generar una interrupción de eventos para adquirir los datos del ADC cada 5ms y para filtrar la información de la pantalla táctil cada 500ms. 90 Tabla 2.3. Características del microcontrolador ATXMEGA128A3U30. Parameter Value Parameter Value Flash (Kbytes): 128 Kbytes ADC channels: 16 Pin Count: 64 ADC Resolution 12 (bits): Max. Operating 32 MHz ADC Speed (ksps): 2000 8-bit AVR Analog 4 Frequency: CPU: Comparators: # of Táctil Channels: 16 DAC Channels: 2 Max I/O Pins: 50 DAC Resolution 12 (bits): Ext Interrupts: 50 Temp. Sensor: Yes USB Transceiver: 1 Crypto Engine: AES/DES USB Speed: Full Speed SRAM (Kbytes): 8 USB Interface: Device EEPROM (Bytes): 2048 SPI: 10 Self Program YES Memory: TWI (I2C): 2 picoPower: Yes UART: 7 Timers: 7 Temp. Range (deg -40 to 85 Output Compare 22 C): I/O Supply Class: channels: 1.6 to 3.6 Input Capture 22 Channels: Operating Voltage 1.6 to 3.6 PWM Channels: 22 Yes Calibrated RC Yes (Vcc): 32kHz RTC: Oscillator: Watchdog: Yes Quadrature Decoder 3 Channels: La Figura 2.22 muestra una distribución de los módulos y la representación de cada pin que presenta este microcontrolador. 30 http://www.atmel.com/devices/ATXMEGA128A3U.aspx 91 Figura 2.22. Diagrama de bloques y pines31. 2.4.1 DIAGRAMA DE PINES A continuación se muestra en la Tabla 2.4 todos los pines utilizados y la descripción de cada uno de ellos: Tabla 2.4. Distribución de pines del microcontrolador con detalle de su utilización. Puerto Pin# Función Descripción PA0 62 ADC (AD0) Ingreso del voltaje representando la corriente de la sonda. PA1 63 ADC (AD1) Ingreso del voltaje representando el voltaje de la sonda. PA2 64 ADC (AD2) Ingreso del voltaje representando el ángulo de fase. 31 Hoja de datos 8/16-bit Atmel XMEGA A3U Microcontroller ATxmega256A3U / ATxmega192A3U / ATxmega128A3U / ATxmega64A3U, pag. 3. 92 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PB0 1 2 3 4 5 6 OUTPUT Control de la descarga del capacitor C2 del (X1) retenedor de picos de la señal se corriente. OUTPUT Control de la descarga del capacitor C3 del (X2) retenedor de picos de la señal se voltaje. OUTPUT Selector de chip para comunicación SPI con (CS-G) el generador de señales (AD9834) OUTPUT Selector de chip para comunicación SPI con (CS-T) el conversor de la pantalla táctil (XPT2046) OUTPUT Selector de chip para comunicación paralela (CS-TFT) con driver de la pantalla TFT (SSD1963) INPUT Referencia B del conversor A/D (3.3v) (REFB) PC0 PC1 PC2 16 17 18 OUTPUT Control de comando o dato para la pantalla (RS) TFT OUTPUT Control habilita la escritora en la pantalla (WR) TFT OUTPUT Reset físico de la pantalla TFT (REST) PC3 PC4 19 20 OUTPUT Control de intensidad del brillo del backligth (LED-A) de la pantalla TFT OUTPUT Transmisor de datos de la comunicación SPI (DOUT) PC5 21 INPUT Receptor de datos de la comunicación SPI (DIN) PC6 22 OUTPUT Reloj de la comunicación SPI (CLK) PD3 PD4 PORTE 28 29 36-43 INPUT Receptor de datos de la comunicación (RXD0) USART OUTPUT Transmisor de datos de la comunicación (TXD0) USART OUTPUT Byte de datos menos significativo de la (DB0-DB7) pantalla TFT 93 PORTF AVCC 46-51, OUTPUT Byte de datos más significativo de la 54,55 (DB8-DB15) pantalla TFT 61 INPUT Fuente de alimentación del conversor de; A/D del microcontrolador VCC 15, 25, INPUT Fuente de alimentación del microcontrolador 35, 45, (3.3v) 53 GND 14, 24, INPUT Tierra de 34, 44, microcontrolador la alimentación del 52, 60 RESET 57 INPUT Reset físico del microcontrolador Teniendo una distribución de los pines que se piensan utilizar para el control del equipo, lo restante es el programa en sí implementado para su correcto funcionamiento. El lenguaje de programación elegido es C, aprovechando las facilidades y características versátiles que presenta ATMEL Studio, para la programación de microcontroladores de la serie ATXMEGA. ATMEL Studio es un entorno de desarrollo integrado (IDE) para aplicaciones de escritura y depuración AVR / ARM en ambientes como Windows XP / Windows Vista / Windows 7. ATMEL Studio proporciona una herramienta de gestión de proyectos, editor de archivo de origen, simulador, ensamblador y front-end para C / C + +, la programación y la depuración on-chip32. 2.5 FUENTE DE ALIMENTACIÓN Se necesitan tres niveles de voltaje, dos niveles para el circuito de acondicionamiento de las señales de voltaje, corriente y ángulo, es indispensable que sea de 12 V y -12 V, para no perder información de la onda; para esto se 32 USER GUIDE Atmel Studio http://www.atmel.com/microsite/atmel_studio6/default.aspx 94 obtiene un voltaje de 120 Vac de la red eléctrica convencional, se conecta a un transformador de 120:12 de 1 A, posteriormente se conecta a un rectificador que convierta a un voltaje continuo, para eliminar el rizado se conecta a un capacitor de 1000 uF y uno de 1 uF en paralelo. En la Figura 2.24 se muestra la configuración del transformador con el puente rectificador y cómo conectarse con los reguladores de voltaje para tener 12 V (7812) y -12 V (7912); se usa unos capacitores para evitar el ruido y el voltaje ya puede alimentar a los dispositivos necesarios. La ultima fuente alimenta la pantalla TFT, el microcontrolador y al generador de ondas por la carga que representan, después de ser reducido un voltaje de 120 Vac a 12 Vac, se rectifica y se disminuye el rizado con un par de capacitores; para ser conectados a un conversor DC/DC reductor para disminuir el voltaje hasta 7 V y conectar a la placa del microcontrolador. Para alimentar a la pantalla TFT se usa otro conversor DC/DC reductor y tener un voltaje de 3,3 V. AC TR2 V3.3 1 2 BR2 CONVERSOR DC/DC CONVERSOR DC/DC TBLOCK-I2 12V - 7V C7 TRAN-2P3S TR1 C4 1uF GBU6G 7V - 3.3V C5 C12 100uF 1uF 1000uF BR1 U1 V12 7812 VI VO 3 GND 1 C15 1uF C1 2 GBU6G 1000uF C2 C13 100uF 1uF TRAN-2P3S U2 V-12 7912 VI VO 3 1 GND 2 Figura 2.24. Fuente de alimentación. C3 C14 100uF 1uF 95 CAPÍTULO 3 PROGRAMACIÓN Y ENLACE DE MÓDULOS 3.1 CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR DEL MÓDULO DEL EQUIPO 3.1.1 PROGRAMA PRINCIPAL Los microcontroladores ATXMEGA presentan una gama muy extensa de registros por la cantidad de características que presentan, para facilitar la programación de estos dispositivos, ATMEL Studio presenta una ayuda llamada asistente ASF, que proporciona una vista organizada de los módulos disponibles, sus vínculos de documentación e información de versión. Este asistente ASF permite agregar o quitar módulos para el proyecto seleccionado. Para acceder a ASF Wizard, seleccione Asistente ASF en el menú ASF, como se muestra en la Figura 3.1. Figura 3.1. IDE de ATMEL Studio y el asistente ASF. El asistente ASF presenta un entorno que permite el acceso a las librerías de código fuente de Atmel Software Framework, que proporciona drivers, protocols, 96 stacks, codingutilities, buildsystem, etc. Las librerías muestran cómo utilizar cada uno de estos módulos y añadirlos al programa. Components: Proporciona los controladores de software para acceder a los componentes de hardware externo, como la memoria (por ejemplo, Atmel DATAFLASH™, SDRAM, SRAM, flash NAND), pantallas, sensores, wireless, etc. Drivers: Cada driver se compone de un archivo driver.c y driver.h que proporciona funciones de bajo nivel para acceder a una función específica, sea esta, periférico o dispositivo. Los servicios y componentes interactúan con los controladores. Services: Provee aplicaciones orientadas al software tal como una clase USB, sistema de archivos FAT, librerías de arquitectura optimizada DSP, librería gráfica, etc. En la Figura 3.2 se muestra la ventana del asistente del ASF que permite seleccionar los drivers, componentes y servicios, necesarios para el desarrollo del programa, al lado izquierdo se muestran los módulos disponibles para el controlador previamente determinado y al lado derecho se muestran los módulos que ya han sido seleccionados para ser usados. Los módulos seleccionados de la Figura 3.2 son la lista de elementos que se usan en el programa. Figura 3.2. Asistente del Atmel Software Framework. 97 En el diagrama de flujo de la Figura 3.3 muestran los módulos inicializados en el programa principal. El primer módulo que debe ser inicializado, sin importar el programa, es el sistema de reloj, a una frecuencia de 32 MHz de un reloj interno. Posteriormente se configuran los registros para la comunicación USART a una velocidad de 9600 bps de comunicación asíncrona, un bit de parada, sin paridad y ocho bits de datos. INICIO Inicialización de reloj a 32MHz Inicialización comunicación serial (9600 bps) Inicialización conversor A/D Inicialización pantalla TFT Borrar pantalla TFT Inicialización de comunicación SPI Inicialización de pantalla touch Inicialización de generador de señales Limpia y gráfica ejes en la pantalla 1 Figura 3.3. Diagrama de flujo de la inicialización del programa. Los módulos de los ATXMEGA mediante configuración pueden estar vinculados mediante eventos o interrupciones de otros módulos del controlador, el módulo ADC se lo configura de esta forma. El módulo ADC inicia la conversión cada cierto 98 tiempo establecido con un evento generado con un TIMER del controlador, la frecuencia de este TIMER es menor al necesario para la conversión; el módulo ADC se configura para iniciar la conversión cada 200kHz, un voltaje de referencia externo de 3.3 V., una conversión triggerfreerun, conversión de 12 bits y se habilitan los tres primeros canales del ADC. La pantalla TFT está controlada por el driver SSD196333 que tiene una comunicación en paralelo de 16 bits de datos y 3 bits de control, uno de habilitación general (CS), uno para definir que se envía datos al controlador (WR) y el último que indica si ha llegado un dato o un comando para la configuración del mismo. Los pines necesarios se configuran como salida. El driver de la pantalla se lo configura para tener una velocidad de 100MHz y funcionar con una pantalla de 800x480 píxeles. El controlador posee un módulo de comunicación SPI que se usa para controlar al generador de señales y a la pantalla táctil. El módulo SPI se lo configura como master, una velocidad de 1MHz y los pines (chip select) respectivos para seleccionar los dispositivos con los que se va a comunicar. La pantalla táctil es de tipo resistiva y está controlada por el driver XPT204634 con un conversor de 12 bits y una velocidad de muestreo de 125 KHz, el driver mide las variaciones de resistencia de la pantalla y los envía por comunicación SPI al microcontrolador. Por la comunicación SPI se configura al driver de la pantalla táctil para que funcione con 12bits de conversión y un voltaje de referencia diferencial. El controlador debe estar provisto de una tabla de valores que correspondan a las frecuencias del funcionamiento del equipo. La configuración del generador de señales se la realiza por comunicación SPI, la configuración inicial comprende una velocidad de 5kHz de una onda senoidal sin ángulo de fase. 33 34 Hoja de datos SOLOMON SYSTECH, SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA, SSD1963, pág. 9 Hoja de datos XPT2046 Táctil ScreenController, pág. 3 99 Para finalizar la inicialización de todos los módulos y dispositivos del equipo, se inician las interrupciones generales del controlador, se crean las variables locales y generales para el programa, y se grafican los ejes de la pantalla necesarios para que empiece a graficar. Después de la inicialización el programa entra en un bucle infinito, Figura 3.4, el cual siempre inicia revisando si la pantalla táctil ha sido presionada, para cambiar entre el plano de impedancias, las pantallas de impedancia vs tiempo y ángulo de fase vs tiempo, y la pantalla de menú que permite variar la configuración del equipo de medida. 1 No Touch presionado ? Si No Posición válida Si Si Flag_ADC = True Posición de toque No Interpretar datos del ADC Enviar datos por USART D0 a PC 1 Menú Plano de impedancias Plano de Z vs t y θ vs t Limpia y gráfica opciones de menú Limpia y gráfica ejes en la pantalla Limpia y gráfica ejes en la pantalla Gráfica de puntos de variables en pantalla 1 1 Figura 3.4. Diagrama de flujo del funcionamiento del programa principal. Si no se ha cambiado a una de las pantallas anteriormente dichas, revisa si ya se han terminado las conversiones de los tres canales del módulo ADC, ya 100 finalizadas las conversiones se procede con un proceso matemático para obtener las variables de impedancia y ángulo de fase. Con las variables obtenidas se procede a graficar estos datos en la pantalla TFT y por comunicación serial se envía al HMI de la PC remota por medio de módulos Zigbee. Terminado este ciclo inicia otra vez desde la revisión de la pantalla táctil. 3.2 CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR DEL MÓDULO DE COMUNICACIÓN PARA ENLAZAR EL EQUIPO A UN COMPUTADOR VÍA ZIGBEE Cada módulo Zigbee tiene una dirección única de 64bits que viene grabada de fábrica. Por otro lado, la red Zigbee, utiliza para sus algoritmos de ruteo direcciones de 16 bits. A cada dispositivo asociado a una red Zigbee se le asignará una dirección única en toda la red de 16 bits, dada por el coordinador al cual se asocia. El número máximo teórico de dispositivos, que es el nº máximo de direcciones de red que se pueden asignar, es de 2^16 = 65535. Los módulos Xbee, pueden ser ajustados para usarse en redes de configuración punto a punto, punto a multipunto o peer to peer. En la Figura 3.5 se observan los elementos del XBEE Serie 1. El conector para la antena RF, y el conector para una antena integrada Whip. Figura 3.5. Elementos del módulo Xbee. 101 Existen otras versiones de módulos Xbee como los módulos Xbee PRO de la Serie 1 que tienen un mayor alcance por la potencia de señal, en algunos casos pueden alcanzar el doble de la distancia de transmisión. Con los módulos Xbee PRO de la Serie 2, es posible crear redes más complejas, como las llamadas MESH. Estas permiten acceder a un punto remoto, utilizando módulos intermedios para llegar como routers. Además los módulos automáticamente generaran la red entre ellos, sin intervención humana alguna, permitiendo la reparación de la red en caso de que algún nodo falle. Al mismo tiempo la red por sí sola resuelve la mejor ruta para un determinado paquete. 35 3.2.1 CIRCUITO BÁSICO PARA EL XBEE En la Figura 3.6 se muestra las conexiones mínimas, necesarias, para utilizar el módulo Xbee Serie 1. Después se configurará el módulo para un modo de operación, dependiendo la aplicación que se vaya a realizar. Figura 3.6. Conexiones mínimas requeridas para el Xbee. El módulo se alimenta con un voltaje entre 2.8 a 3.4 V, además se necesita la conexión a tierra y las líneas de transmisión de datos por medio del UART (TXD y 35 http://es.scribd.com/doc/58980339/Teoria-y-Programacion-Modulos-XBEE 102 RXD) para comunicarse con un microcontrolador, o directamente a un puerto serial utilizando algún conversor adecuado para los niveles de voltaje. 3.2.2 MODOS DE OPERACIÓN 36 Los módulos Xbee, pueden operar en 5 modos QUE SE MUESTRAN EN LA Figura 3.7. Figura 3.7. Modos de operación del módulo Xbee. Para nuestra aplicación utilizaremos los modos recibir/transmitir de la forma más básica. El módulo se encuentra en estos modos cuando le llega algún paquete RF a través de la antena(modo Receive) o cuando se manda información serial al buffer del pin 3 (UART Data in) que luego será transmitida (modo Transmit). La información puede ser transmitida de manera Directa o Indirecta. En el modo directo la información se envía inmediatamente a la dirección de destino. En el modo indirecto la información es retenida durante un tiempo y es enviada sólo cuando la dirección de destino la solicita. 36 http://es.scribd.com/doc/58980339/Teoria-y-Programacion-Modulos-XBEE 103 Además se puede enviar la información por dos modos. Unicast y Broadcast. Si se utiliza el Unicast es para una comunicación punto a punto, y se recibirá una respuesta de recepción de la información, quien recibe la información enviará un paquete RF (llamado ACK que viene de Acknowledge), indicando que recibió la información a la dirección de origen, de lo contrario el emisor seguirá reenviando la información hasta recibir el ACK. El modo Broadcastes comunicación entre un nodo y a todos los nodos de la red. En este modo, no hay confirmación por ACK. Para esta aplicación se utilizará el modo transparente, que viene por defecto configurado en los módulos Xbee, en este modo todo lo que ingresa por el pin 3 (Data in), es guardado en el buffer de entrada y luego transmitido y todo lo que ingresa como paquete RF, es guardado en el buffer de salida y luego enviado por el pin 2 (Data out) (Figura 3.8). Lo que se realizó, fue una comunicación punto a punto, reemplazando la comunicación serial por cable, es la configuración más sencilla para aplicaciones simples, que no necesitan ningún tipo de control. La información se recibe por el pin 3 del módulo y es guardada en el buffer de entrada, dependiendo como se configura el comando RO, la información puede ser enviada cuando llegue un caracter o después de un tiempo dado sin que llegue un caracter serial al pin 3. La información que se encuentre en el buffer de entrada es integrada a un paquete RF y es transmitida. Figura 3.8. Correspondencia de Buffer. 104 37 3.2.3 CONFIGURACIÓN PUNTO A PUNTO . La configuración para este tipo de comunicación es la más sencilla, lo que se debe hacer es únicamente configurar la dirección. Para realizar la configuración se utilizan los comandos MY y DL. El comando MY definirá arbitrariamente una dirección para el módulo, que se comunicará con otro que tiene la dirección DL también definida arbitrariamente. Con esto cada módulo define su dirección con MY, y escribe la dirección del módulo al cual se desea conectar usando DL. En la Figura 3.9 se muestra un pequeño ejemplo donde las direcciones se eligieron arbitrariamente: Figura 3.9. Configuración módulo 1. Se observa que en el módulo 1, se ajustó la dirección de origen como 0x3BA2 (ATMY3BA2), mientras que la dirección de destino se asignó como 0xCC11 (ATDLCC11) que corresponde al módulo 2. En el otro módulo se observa lo siguiente: 37 http://es.scribd.com/doc/58980339/Teoria-y-Programacion-Modulos-XBEE y http://webdelcire.com/wordpress/archives/1714 105 Figura 3.10. Configuración módulo 2. En este módulo se asignó como dirección de origen 0xCC11 (ATMYCC11) y como dirección de destino 0x3BA2 (ATDL3BA2) que corresponde al módulo 1. La Figura 3.11 muestra un ejemplo gráfico de lo anterior. Figura 3.11. Ejemplo de direccionamiento 16 y 64 bits. En la figura 3.11, se muestra que la primera conexión es una punto a punto utilizando direccionamiento de 16 bits, mientras que la segunda utiliza direccionamiento de 64 bits. La principal diferencia es que en la de 64 bits, es posible obtener una mayor cantidad de direcciones y por lo tanto, una mayor cantidad de nodos o equipos funcionando en la misma red. Con esta configuración el módem está listo para funcionar, lo que se transmite por el pin DIN del uno es recibido por el pin DOUT del otro y viceversa. 106 En la Tabla 3.1, se puede encontrar la descripción de los campos y en la Tabla 3.2 un ejemplo de configuración y los valores que se deben asignar a los campos de los módulos Xbee Serie 1 en “modo transparente” o en una conexión punto a punto. Tabla 3.1. Descripción de los comandos de módulos Xbee. Tabla 3.2. Valores de configuración de módulos Xbee. Existen otras formas de configurar una red Xbee, la anterior es una forma fácil que solo involucra dos módems; aunque en todas ellas debemos asegurarnos que se comparta el mismo identificador de la red (PAN ID), pues este valor nos permite diferenciar redes que se encuentren cercanas y descarta cualquier recepción que no corresponda con el valor PAN ID de nuestro modem. 107 CAPÍTULO 4 DESARROLLO DE LA HMI PARA MONITOREO Y CONTROL 4.1 PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ HMI QUE CORRERÁ EN LA COMPUTADORA La interfaz del equipo de ensayos no destructivos se soporta en el programa LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), este es un lenguaje de programación tipo G (entorno gráfico), para el diseño de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control. Los programas desarrollados mediante LabVIEW se denominan Instrumentos Virtuales (VIs), porque su apariencia y funcionamiento imitan los de un instrumento real. Sin embargo son análogos a las funciones creadas con los lenguajes de programación convencionales. Los VIs tienen una parte interactiva con el usuario y otra parte de código fuente, y aceptan parámetros procedentes de otros VIs. 4.1.1 SOFTWARE DE DESARROLLO DE SISTEMAS NI LABVIEW Figura 4.1. Logo del LabVIEW. El software LabVIEW es ideal para cualquier sistema de medidas y control y el corazón de la plataforma de diseño de NI. Al integrar todas las herramientas que los ingenieros y científicos necesitan para construir una amplia variedad de 108 aplicaciones en mucho menos tiempo, NI LabVIEW es un entorno de desarrollo para resolver problemas, productividad acelerada y constante innovación. 4.1.1.1 Principales características38 LabVIEW es una plataforma de programación gráfica que ayuda a ingenieros a escalar desde el diseño hasta pruebas y desde sistemas pequeños hasta grandes sistemas. Ofrece integración sin precedentes con software legado existente, IP y hardware al aprovechar las últimas tecnologías de cómputo. LabVIEW ofrece herramientas para resolver los problemas de hoy en día y la capacidad para la futura innovación, más rápido y de manera más eficiente. Presenta facilidades para el manejo de: Interfaces de comunicaciones: Puerto serie Puerto paralelo GPIB PXI VXI TCP/IP, UDP, DataSocket Irda Bluetooth USB OPC... Capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones: 38 DLL: librerías de funciones .NET ActiveX Multisim http://www.ni.com/labview/esa/ 109 Matlab/Simulink AutoCAD, SolidWorks, etc. Herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales. Visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos. Adquisición y tratamiento de imágenes. Control de movimiento (combinado incluso con todo lo anterior). Tiempo Real estrictamente hablando. Programación de FPGAs para control o validación. Sincronización entre dispositivos. 4.1.1.2 Aplicaciones39 Adquiera y Analice Datos de Medida. NI LabVIEW ofrece una incomparable integración con hardware de adquisición de datos de NI y de terceros, bibliotecas de procesamiento de señales y controles de interfaz de usuario construidos con propósitos específicos para visualización de datos de medidas. Usted puede usar LabVIEW para desarrollar sistemas más rápido, automatizar múltiples medidas y tomar decisiones basadas en datos. Control de Instrumentos. El software NI LabVIEW ayuda a adquirir datos desde instrumentos autónomos desde cualquier bus y ofrece extensas bibliotecas para procesamiento de señales y visualización de datos. Combine el poder del software NI LabVIEW y 39 http://www.ni.com/labview/esa/ 110 controladores de IDNet para instrumentos específicos para automatizar instrumentos de terceros y crear soluciones de medidas reutilizables que usted puede programar y reconfigurar para cumplir con sus crecientes necesidades. Sistemas de Monitoreo y Control Embebidos NI LabVIEW lo último en software de diseño de sistemas usado por ingenieros y científicos para diseñar, generar prototipos y desplegar aplicaciones embebidas de control y monitoreo de manera eficiente. Combina cientos de bibliotecas preescritas, estrecha integración con hardware comercial y una variedad de enfoques de programación incluyendo desarrollo gráfico, scripts de archivos .m y conectividad a código ANSI C y HDL existente. Ya sea para diseñar dispositivos médicos o robots complejos, usted puede reducir el tiempo al mercado y los costos totales del diseño monitoreo y control embebidos con LabVIEW. Sistemas de Pruebas Automatizadas y Validación. NI LabVIEW, el software de diseño de sistemas líder para pruebas automatizadas, es optimizado para darle las herramientas que necesita para desarrollar rápidamente el software de pruebas. LabVIEW le ayuda a ir un paso adelante de las demandantes necesidades de los sistemas al brindar una integración con una amplia variedad de instrumentos, que van desde instrumentos tradicionales hasta instrumentos PXI modulares definidos por software, así usted puede adquirir prácticamente cualquier medida. La combinación de hardware reconfigurable y el software de diseño de sistemas LabVIEW le permite construir prácticamente cualquier sistema de pruebas automatizadas más rápido y con más seguridad. 4.1.1.3 Requerimientos del sistema40 Los requerimientos necesarios para instalar el software de desarrollo de sistemas NI LabVIEW en los diferentes sistemas operativos se muestran en la Tabla 4.1. 40 http://www.ni.com/labview/esa/ 111 Tabla 4.1. Requerimientos del Sistema. Windows Run-Time Engine Entorno de Desarrollo Procesador Pentium III/Celeron 866 MHz o Pentium 4/M o equivalente equivalente RAM 256 MB 1 GB Resolución 1024 x 768 píxeles 1024 x 768 píxeles Windows 8.1/8/7/Vista (32 bits y 64 Windows 8.1/8/7/Vista (32 bits y 64 bits) bits) Windows XP SP3 (32 bits) Windows XP SP3 (32 bits) Windows Server 2012 R2 (64 bits) Windows Server 2012 R2 (64 bits) Windows Server 2008 R2 (64 bits) Windows Server 2008 R2 (64 bits) Windows Server 2003 R2 (32 bits) de Pantalla SO Windows Server 2003 R2 (32 bits) Espacio en 500 MB 5 GB (Incluye controladores predeterminados Disco del DVD de Controladores de Dispositivos de NI) Mac OS X Run-Time Engine Entorno de Desarrollo Procesador Procesador basado en Intel Procesador basado en Intel RAM 256 MB 2 GB Resolución 1024 x 768 píxeles 1024 x 768 píxeles SO OS X 10.7, 10.8 o 10.9 OS X 10.8 o 10.9 Espacio en 656 MB - 1.2 GB 1.2 GB para la instalación completa (excluyendo de Pantalla Disco controladores) 112 Linux Run-Time Engine Entorno de Desarrollo Procesador Pentium III/Celeron 866 MHz o equivalente Pentium 4/M o equivalente RAM 256 MB 1 GB Resolución 1024 x 768 píxeles 1024 x 768 píxeles Linux kernel 2.4x, 2.6x o 3.x y GNU C Library Red Hat Enterprise Linux Desktop + (glibc) Versión 2.5.1 para la arquitectura Intel Workstation 6 o posterior, open SUSE 12.3 x86_64 o 13.1 o Scientific Linux 6 o posterior. de Pantalla SO La Guía de Instalación de LabVIEW omite de un modo incorrecto Linux kernel 3.x de esta lista. Espacio en 115 MB (32 bits) 1.2 GB para la instalación completa de cada Disco 131 MB (64 bits) bitness 1.4 GB para la instalación completa de LabVIEW de 32 y 64 bits NI SignalExpress. Windows 8/Windows 7/Vista/XP SP3/Server 2003 R2 (32 bits)/Server 2008 R2 (64 bits) 1 GB de RAM 2 GB de espacio libre en disco Procesador Pentium 4 o equivalente Módulo LabVIEW Real-Time. Sistema de desarrollo Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) para Windows más lo siguiente: o 200 MB de espacio adicional disponible en disco o Hardware de tiempo real y software controlador 113 Puede llegar a necesitar más memoria que la mínima recomendada por LabVIEW dependiendo del tamaño de la aplicación que diseñe en LabVIEW en la PC principal. Módulo LabVIEW Datalogging and Supervisory Control. Sistema de desarrollo Base, Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) para Windows más lo siguiente: o 2.5 GB de espacio adicional disponible en disco o 512 MB de RAM. National Instruments recomienda 1 GB de RAM o Internet Explorer 6 Service Pack 1 o posterior Módulo LabVIEW MathScript RT. Sistema de desarrollo Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) más lo siguiente: o 500 MB de espacio adicional disponible en disco Módulo LabVIEW Touch Panel. Sistema de desarrollo Base, Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) para Windows más lo siguiente: o 250 MB de espacio adicional disponible en disco o (Windows CE) Dispositivo con pantalla táctil, como el NI TPC-2006, ejecutando Windows CE 4.2 o 5.0 o (Windows Embedded Standard) Dispositivo con pantalla táctil, como el NI TPC-2512, ejecutando Windows Embedded Standard Módulo LabVIEW Control Design and Simulation. Sistema de desarrollo Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) más lo siguiente: o Por lo menos 500 MB de espacio adicional en disco para soporte de Diseño de Control y Simulación de LabVIEW 114 o (Opcional) Módulo LabVIEW MathScript RT o (Opcional) LabVIEW SignalExpress – Si planea instalar el LabVIEW Control Design Assistant, primero debe instalar LabVIEW SignalExpress Módulo Vision Development para LabVIEW. Sistema de desarrollo Base, Completo o Profesional de LabVIEW (32 y 64 bits) para Windows más lo siguiente: o Procesador mínimo: Pentium de 233 MHz o equivalente o Por lo menos 1.4 GB de espacio adicional en disco para el Módulo Vision Development para LabVIEW Módulo LabVIEW Statechart. Sistema de desarrollo Base, Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) para Windows más lo siguiente: o 250 MB de espacio adicional disponible en disco Módulo LabVIEW NI SoftMotion. Sistema de desarrollo Base, Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) para Windows más lo siguiente: o 250 MB de espacio adicional disponible en disco o 2 GB en RAM recomendado si se usa NI SoftMotion para SolidWorks o (Opcional) Se requiere el Módulo LabVIEW Real-Time si se usa un objetivo PXI Módulo LabVIEW Robotics. Sistema de desarrollo Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) para Windows más lo siguiente: o Por lo menos 700 MB de espacio en disco 115 4.1.2 INTERFAZ DEL USUARIO En el diagrama de flujo de la Figura 4.2 se muestra los parámetros inicializados en el programa del HMI en LabVIEW. El primer parámetro que se inicializa es la configuración de los registros para la comunicación USART a una velocidad de 9600 bps, posteriormente se inicializa los archivos de almacenamiento, al recibir estos datos se los convierte y se manda a graficar. Inicio Inicialización de comunicación serial (9600 bps) Inicializacion de archivos de almacenamiento (.xls) No Recibió datos? Si Convertidor String to Integer Graficador de datos No Almacenar datos de Impedancia y Angulo de fase Desea salir? Si Finalizar comunicación y archivos Figura 4.2. Diagrama de flujo de HMI. El VI (Instrumento Virtual) del equipo de ensayos no destructivos está formado de dos partes, una es la Interfaz de Configuración y por otro lado la Interfaz de Gráficas. 4.1.2.1 Interfaz de configuración La Interfaz de Configuración se muestra en la Figura 4.3 y se encarga de definir el puerto de comunicación que se usa para la interfaz con el controlador, establecer la velocidad de comunicación y establecer la dirección en la que se va a guardar 116 un archivo .xls con las variables que se han sensado durante el funcionamiento del equipo. Figura 4.3. Programa de la interfaz de configuración. 4.1.2.2 Interfaz de gráficas Configurada la comunicación y establecido el archivo que se guardara, inicia la interfaz gráfica que se muestra en la Figura 4.4, se adquiere los datos enviados desde el controlador al PC y este valor que está en formato string se lo convierte a doble para poder graficarlo en la interfaz, para terminar guarda los datos en el archivo que se creó al inicio. Si se desea en cualquier momento se puede detener el funcionamiento del VI, presionando el botón de STOP. 117 Figura 4.4. Programa de la interfaz de graficas. 118 4.2 CONFIGURACIONES DE LA COMUNICACIÓN ENTRE LA COMPUTADORA Y EL MÓDULO DE COMUNICACIÓN DISEÑADO La comunicación entre la computadora y el equipo se realiza vía Zigbee, este tipo de comunicación inalámbrica ya se desarrolló en el CAPÍTULO 3, SUBCAPÍTULO 3.2. Para la configuración de la comunicación entre el PC y el EQUIPO en primer lugar se abre el programa de la interfaz de configuración en LabVIEW como se muestra en la Figura 4.3, aquí se observa un parámetro denominado como COM, este hace referencia al puerto USB habilitado por el computador para el módulo Zigbee. Figura 4.5. FT232R USB UART identificado. Para ver que puerto COM del computador está habilitado se conecta el módulo Zigbee en un puerto USB del computador, luego se va a Dispositivos e 119 Impresoras para identificar el periférico denominado FT232R USB UART como se muestra en la Figura 4.5, se inspecciona en las propiedades del Hardware de este dispositivo y se determina el número de COM habilitado en este caso el COM3 como se muestra en la Figura 4.6. Figura 4.6. Propiedades FT232R USB UART. Una vez identificado el número de COM habilitado en el computador escribimos este parámetro en el programa de interfaz de configuración que se muestra en la Figura 4.3, los parámetros de Baud Rate, Dirección y Nombre de Archivo están predeterminados, luego se pasa al programa de la interfaz de gráficas como se muestra en la Figura 4.4 y se manda a correr el programa para finalmente enlazarse con el módulo del prototipo. 120 CAPÍTULO 5 PRUEBAS Y RESULTADOS Las pruebas del equipo de corrientes inducidas, fueron realizadas en el laboratorio de Ensayos No Destructivos de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la EPN y bajo la supervisión de los ingenieros encargados de dicho laboratorio. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios, a continuación se presentan los resultados de porcentaje de conductividad (% de conductividad) para varios materiales provistos en el laboratorio y en varias frecuencias. También se presentan los resultados para detección de fisuras superficiales, en una muestra de aluminio con fisuras de distintas profundidades. 5.1 PRUEBA DE CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA La conductividad eléctrica es una propiedad inversamente proporcional a la resistividad eléctrica, propia de los materiales, en consecuencia podemos diferenciar las diferentes muestras y determinar, aproximadamente, que material es, ya que cada muestra tiene una impedancia diferente y al variar la impedancia entre las muestras, también varía su conductividad. 5.1.1 PATRONES DE CONDUCTIVIDAD Para determinar la conductividad eléctrica de los materiales se toma como referencia los estándares de la Internacional Annealed Cooper Standard, que utiliza unidades de % I.A.C.S. Se toman los valores estándar para la conductividad de la plata que es 110 % I.A.C.S que es de las más altas y el de los aceros que está entre los 9 a 12 % I.A.C.S. 121 5.1.2 RESULTADOS DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA Para realizar esta prueba se utilizan 4 materiales, Figura 5.1, que fueron dados en el laboratorio de Ensayos No Destructivos. Se tiene una barra de cobre, bronce, acero y aluminio. Estas son las muestras de materiales que utilizan para las prácticas de laboratorio. BRONCE ACERO COBRE ALUMINIO Figura 5.1. Elementos de prueba. A continuación se presentan los resultados de % de conductividad de los diferentes cuerpos de pruebas, para varias frecuencias utilizadas en el método de Corrientes Inducidas (Bajas frecuencias, frecuencias medias y altas frecuencias), que se muestran en el equipo y en el HMI de Labview. 122 5.1.2.1 Baja frecuencia 50 KHz Cobre Figura 5.2. Prueba de % de conductividad para cobre a 50 KHz. 123 Aluminio Figura 5.3. Prueba de % de conductividad para aluminio a 50 KHz. 124 Bronce Figura 5.4. Prueba de % de conductividad para bronce a 50 KHz. 125 Acero Figura 5.5. Prueba de % de conductividad para acero a 50 KHz. 126 5.1.2.2 Baja frecuencia 70 KHz Cobre Figura 5.6. Prueba de % de conductividad para cobre a 70 KHz. 127 Aluminio Figura 5.7. Prueba de % de conductividad para aluminio a 70 KHz. 128 Bronce Figura 5.8. Prueba de % de conductividad para bronce a 70 KHz. 129 Acero Figura 5.9. Prueba de % de conductividad para acero a 70 KHz. 130 5.1.2.3 Baja frecuencia 100 KHz Cobre Figura 5.10. Prueba de % de conductividad para cobre a 100 KHz. 131 Aluminio Figura 5.11. Prueba de % de conductividad para aluminio a 100 KHz. 132 Bronce Figura 5.12. Prueba de % de conductividad para bronce a 100 KHz. 133 Acero Figura 5.13. Prueba de % de conductividad para acero a 100 KHz. 134 5.1.2.4 Baja frecuencia 150 KHz Cobre Figura 5.14. Prueba de % de conductividad para cobre a 150 KHz. 135 Aluminio Figura 5.15. Prueba de % de conductividad para aluminio a 150 KHz. 136 Bronce Figura 5.16. Prueba de % de conductividad para bronce a 150 KHz. 137 Acero Figura 5.17. Prueba de % de conductividad para acero a 150 KHz. 138 5.1.2.5 Frecuencia Media 200 KHz Cobre Figura 5.18. Prueba de % de conductividad para cobre a 200 KHz. 139 Aluminio Figura 5.19. Prueba de % de conductividad para aluminio a 200 KHz. 140 Bronce Figura 5.20. Prueba de % de conductividad para bronce a 200 KHz. 141 Acero Figura 5.21. Prueba de % de conductividad para acero a 200 KHz. 142 5.1.2.6 Frecuencia Media 300 KHz Cobre Figura 5.22. Prueba de % de conductividad para cobre a 300 KHz. 143 Aluminio Figura 5.23. Prueba de % de conductividad para aluminio a 300 KHz. 144 Bronce Figura 5.24. Prueba de % de conductividad para bronce a 300 KHz. 145 Acero Figura 5.25. Prueba de % de conductividad para acero a 300 KHz. 146 5.1.2.7 Frecuencia Media 340 KHz Cobre Figura 5.26. Prueba de % de conductividad para cobre a 340 KHz. 147 Aluminio Figura 5.27. Prueba de % de conductividad para aluminio a 340 KHz. 148 Bronce Figura 5.28. Prueba de % de conductividad para bronce a 340 KHz. 149 Acero Figura 5.29. Prueba de % de conductividad para acero a 340 KHz. 150 5.1.2.8 Frecuencia Media 370 KHz Cobre Figura 5.30. Prueba de % de conductividad para cobre a 370 KHz. 151 Aluminio Figura 5.31. Prueba de % de conductividad para aluminio a 370 KHz. 152 Bronce Figura 5.32. Prueba de % de conductividad para bronce a 370 KHz. 153 Acero Figura 5.33. Prueba de % de conductividad para acero a 370 KHz. 154 5.1.2.9 Alta frecuencia 400 KHz Cobre Figura 5.34. Prueba de % de conductividad para cobre a 400 KHz. 155 Aluminio Figura 5.35. Prueba de % de conductividad para aluminio a 400 KHz. 156 Bronce Figura 5.36. Prueba de % de conductividad para bronce a 400 KHz. 157 Acero Figura 5.37. Prueba de % de conductividad para acero a 400 KHz. 158 5.1.2.10 Alta frecuencia 440 KHz Cobre Figura 5.38. Prueba de % de conductividad para cobre a 440 KHz. 159 Aluminio Figura 5.39. Prueba de % de conductividad para aluminio a 440 KHz. 160 Bronce Figura 5.40. Prueba de % de conductividad para bronce a 440 KHz. 161 Acero Figura 5.41. Prueba de % de conductividad para acero a 440 KHz. 162 5.1.2.11 Alta frecuencia 470 KHz Cobre Figura 5.42. Prueba de % de conductividad para cobre a 470 KHz. 163 Aluminio Figura 5.43. Prueba de % de conductividad para aluminio a 470 KHz. 164 Bronce Figura 5.44. Prueba de % de conductividad para bronce a 470 KHz. 165 Acero Figura 5.45. Prueba de % de conductividad para acero a 470 KHz. 166 5.1.2.12 Alta frecuencia 500 KHz Cobre Figura 5.46. Prueba de % de conductividad para cobre a 500 KHz. 167 Aluminio Figura 5.47. Prueba de % de conductividad para aluminio a 500 KHz. 168 Bronce Figura 5.48. Prueba de % de conductividad para bronce a 500 KHz. 169 Acero Figura 5.49. Prueba de % de conductividad para acero a 500 KHz. 170 En la Tabla 5.1 se tiene todos los resultados de las pruebas, siendo la columna Proto., los valores que se obtienen del equipo de corrientes inducidas y Labv., los valores que se obtienen del HMI. Tabla 5.1. Resultados de % de conductividad de materiales. Frecuencia % de Conductividad (KHz) Cobre Aluminio Bronce Acero Proto. Labv. Proto. Labv. Proto. Labv. Proto. Labv. 50 61 63 77 73 65 65 56 55 70 76 77 85 85 76 75 55 55 100 66 67 67 66 54 63 40 48 150 66 71 63 67 60 58 36 21 200 72 73 71 75 62 62 34 42 300 75 79 65 66 53 59 23 30 340 85 84 82 79 69 70 22 23 370 87 89 81 81 50 59 15 19 400 87 92 70 73 41 56 11 18 440 87 93 80 81 43 40 3 4 470 87 91 82 72 62 61 17 5 500 90 102 82 76 58 59 13 9 En las Figuras 5.50 y 5.51 se observa la curva de % conductividad de los materiales para bajas frecuencias, la Figura 5.50 para los valores del equipo y la Figura 5.51 para los valores de Labview. 171 % de Conductividad % Conductividad Bajas Frecuencias (Prototipo) 100 80 50 KHz 60 70 KHz 40 100 KHz 150 KHz 20 0 Cobre Aluminio Bronce Acero Materiales Figura 5.50. % de Conductividad Bajas Frecuencias (Equipo de Corrientes Inducidas). % de Conductividad % de Conductividad Bajas Frecuencias (Labview) 100 80 50 KHz 60 70 KHz 40 100 KHz 150 KHz 20 0 Cobre Aluminio Bronce Acero Materiales Figura 5.51. % de Conductividad Bajas Frecuencias (Labview). En las Figuras 5.52 y 5.53 se observa la curva de % conductividad de los materiales para frecuencias medias, la Figura 5.52 para los valores del equipo y la Figura 5.53 para los valores de Labview. 172 % de Conductividad % Conductividad Frecuencias Medias (Prototipo) 100 80 200 KHz 60 300 KHz 40 340 KHz 370 KHz 20 0 Cobre Aluminio Bronce Acero Materiales Figura 5.52. % de Conductividad Frecuencias Medias (Equipo de Corrientes Inducidas). % Conductividad Frecuencias Medias (Labview) % de Conductividad 100 80 200 KHz 60 300 KHz 40 340 KHz 370 KHz 20 0 Cobre Aluminio Bronce Acero Materiales Figura 5.53. % de Conductividad Frecuencias Medias (Labview). En las Figuras 5.54 y 5.55 se observa la curva de % conductividad de los materiales para altas frecuencias, la Figura 5.54 para los valores del equipo y la Figura 5.55 para los valores de Labview. 173 % de Conductividad % Conductividad Altas Frecuencias (Prototipo) 100 80 400 KHz 60 440 KHz 40 470 KHz 500 KHz 20 0 Cobre Aluminio Bronce Acero Materiales Figura 5.54. % de Conductividad Altas Frecuencias (Equipo de Corrientes Inducidas). % de Conductividad % Conductividad Altas Frecuencias (Labview) 120 100 400 KHz 80 440KHz 60 470 KHz 40 500 KHz 20 0 Cobre Aluminio Bronce Acero Materiales Figura 5.55. % de Conductividad Altas Frecuencias (Labview). 5.2 PRUEBA DE DISCONTINUIDADES Las discontinuidades se definen como la falta de continuidad, de cohesión e interrupción en la estructura física normal de un material. Esto afecta el rendimiento de los materiales. Cuando la bobina alimentada por una corriente alterna pasa sobre una discontinuidad, las corrientes inducidas en dicho material sufren perturbaciones y por tanto la impedancia cambia, esto se verá reflejado en el cambio de porcentaje de conductividad eléctrica. 174 5.2.1 RESULTADOS DE DETECCIÓN DE DISCONTINUIDADES Para esta prueba se utiliza un bloque de aluminio con fisuras de 1, 2 y 3 mm de profundidad, que se muestra en la Figura 5.56, se setea el equipo a una frecuencia de 450 KHz y se comprueba los cambios del % de conductividad, de impedancia y por tanto de ángulo de defase. Figura 5.56. Bloque de prueba con fisuras. A continuación se muestran los resultados obtenidos del % de conductividad, el cambio de impedancia y cambio de ángulo, sobre la superficie plana y sobre las diferentes fisuras, en el equipo y en el HMI de Labview. 5.2.1.1 Superficie Lisa Figura 5.57. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz (Superficie lisa Labview). 175 Figura 5.58. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz (Superficie lisa Prototipo). 5.2.1.2 Fisura de 1 mm Figura 5.59. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz (Fisura 1 mm Labview). 176 Figura 5.60. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz (Fisura 1 mm Prototipo). 5.2.1.3 Fisura de 2 mm Figura 5.61. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz (Fisura 2 mm Labview). 177 Figura 5.62. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz (Fisura 2 mm Prototipo). 5.2.1.4 Fisura de 3 mm Figura 5.63. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz (Fisura 3 mm Labview). 178 Figura 5.64. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz (Fisura 3 mm Prototipo). En la Tabla 5.2, se tiene los resultados de las pruebas, en ambos casos se observa que la tendencia es similar, empezando con una referencia dada por el dato de superficie lisa y disminuyendo mientras aumenta el tamaño de la fisura. Tabla 5.2. % de conductividad en fisuras (Bloque de aluminio). Fisura (mm) Prototipo (%) Labview (%) 0 76 85 1 75 83 2 71 78 3 68 73 A continuación se presentan las curvas de % de conductividad y se observa que ambas son similares, en la gráfica del equipo de corrientes inducidas, Figura 5.65, y en la gráfica de Labview, Figura 5.66. 179 Variación de % de conductividad (Prototipo) % de conductividad 78 76 74 72 70 68 66 64 0 1 2 3 Fisuras (mm) Figura 5.65. % de Conductividad en Fisuras (Equipo de Corrientes Inducidas). Variación de % de conductividad (Labview) % de conductividad 90 85 80 75 70 65 0 1 2 Fisuras (mm) Figura 5.66. % de Conductividad en Fisuras (Labview). 3 180 CAPÍTULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 CONCLUSIONES El proyecto fue establecido para funcionar en un amplio rango de frecuencias, que van desde 50kHz a 500kHz, para esto las señales senoidales fueron las más aptas, y se analizaron dos opciones para implementarlas: usar el circuito convencional de un conversor digital/análogo o comprar un generador de la funciones. Usar un circuito D/A es poco recomendable por que no genera una curva suave, poco simétrica o inyecta armónicos al sistema, por lo cual se decidió comprar un generador de funciones diseñado para altas frecuencias. El generador de funciones da una señal de corriente, por lo cual se usa una resistencia, para trabajar solo con voltaje, dicha resistencia no debe pasar los valores límites recomendados por el fabricante del generador de funciones. Esta señal se presenta con un offset, por lo cual se añade un filtro pasa altos, antes de amplificar dicha señal. Para evitar problemas de impedancias se usa amplificadores operacionales en configuración de seguidor así se tiene señales con alta impedancia. Para no perder los valores pequeños del sistema tanto la señal de corriente como de voltaje pasan por un rectificador de precisión de onda completa, es de onda completa para obtener el tiempo mínimo posible entre crestas, evitar que se pierda información y tener una señal más estable. Con este acondicionamiento, el circuito posterior, que es un retenedor de picos, puede dar valores constantes y seguir rápidamente a las variaciones de los picos. Como las variaciones de los picos de corriente son bastante pequeñas, se pasa la señal que representa la corriente por amplificadores restadores, para restar un valor de voltaje se debe usar fuentes reguladas de alta precisión, las cuales no varían fácilmente con cambios de carga o de temperatura. 181 Antes de definir los parámetros de variación, con cada material, se define la amplificación útil para las señales de voltaje y corriente en todo el rango de frecuencias. Para no interferir con el circuito de excitado (sonda y señal del generador), la señal de voltaje se obtiene de forma directa, mediante seguidores, y es amplificado a un valor adecuado. La señal que representa la corriente se obtiene a través de una resistencia que se la podría llamar shunt cuyo valor es alto para poder adquirir el valor bajo de la corriente, también se usan seguidores para posteriormente amplificarla. Para determinar el ángulo se usa un circuito multiplicador, el cual genera una onda definida por dos funciones trigonométricas, una de las cuales se elimina por un filtro pasa bajos, la otra contiene un valor que representa al ángulo y con el uso de funciones trigonométricas obtenemos el valor real. Para replicar de forma adecuada la señal original, según el teorema de Nyquist es necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble de la máxima frecuencia a muestrear. Esto se consideró para la adquisición de datos por el CAD del microcontrolador. Para usar la pantalla TFT se utilizó un microcontrolador de 32 bits, por la velocidad que representa, permitiendo tener graficas más dinámicas. Cada píxel de la pantalla es configurado por 24 bits (RGB), los cuales representan 8bits el color rojo (R), verde (G) y azul (B). La frecuencia que se elige para realizar las inspecciones de los materiales, influye en las variables de inspección. La profundidad de penetración aumenta a medida que la frecuencia disminuye, pero por el contrario la sensibilidad se reduce, y viceversa, a mayor frecuencia mayor sensibilidad y menor penetración. Este proyecto se enfoca en fisuras superficiales, por lo que las frecuencias adecuadas para las inspecciones deben ser mayores a 300 KHz. 182 La sonda de prueba es el elemento más crítico de todo el sistema de corrientes inducidas, debido a que es sensible a interferencias y ruido externo, lo que puede originar valores de % de conductividad no tan exactos en las inspecciones y pueden tener un porcentaje de error alrededor del 3 al 7%. Con la ayuda del HMI de Labiew se puede observar con mayor claridad los cambios que sufren la impedancia y el ángulo de desfase al presentarse discontinuidades en las muestras, ya que en los planos se puede cambiar las escalas según el criterio de la persona encargada de la inspección. Además se puede controlar el tiempo de adquisición de datos para presentar las gráficas según nuestro interés para tomar datos o adquirir imágenes de los planos. En esta aplicación se utiliza la comunicación vía Zigbee, en configuración punto a punto, reemplazando la comunicación serial por cable, esta es la configuración más sencilla ya que no se necesita ningún tipo de control, sólo está siendo utilizada para adquirir datos y presentarlos en la HMI de Labview. 6.2 RECOMENDACIONES Para las placas de la parte analógica se recomienda usar una malla a tierra, así se elimina la interferencia de radio frecuencia, en la parte digital no es necesario, a menos que se necesite disipación de calor. Las fuentes para los dos sistemas deben ser aisladas y las tierras cortocircuitadas a través de una bobina de acoplamiento. En cada fuente se debe añadir filtros capacitivos o ferrite beads. Se podría hacer una mejora del sistema, si se utilizan resistencias digitales en los amplificadores, que podrían ser calibradas con un valor único para cada valor de frecuencia. Con un microcontrolador que maneje operaciones con punto flotante se podría acelerar el funcionamiento del sistema microcontrolado y mejorar la presentación de los datos en la pantalla TFT. 183 Para proteger al microcontrolador de voltajes excesivos, a la entrada del convertidor analógico digital (CAD) se deben colocar limitadores de voltaje o diodos zener, así aseguraremos un correcto funcionamiento del equipo. Para realizar las inspecciones se recomienda mantener una distancia, mínima de 3 mm., desde los bordes, del objeto a analizar, hasta la sonda, sin embargo este valor depende de la frecuencia de prueba y del tipo y tamaño de la sonda. Con la sonda que se trabaja en este proyecto es suficiente los 3mm de separación en cualquier valor de frecuencia. En todas las mediciones se deberá tener en cuenta, el espesor de la muestra para elegir la frecuencia de prueba adecuada, además la calibración e inspección se deberán hacer a la misma temperatura. Para realizar la inspección en materiales desconocidos se deberá fijar el valor base, al medirlo en la superficie lisa, a partir de ese valor se comprobará si existen fisuras, ya que disminuirá el valor de % de conductividad al presentarse defectos. Para utilizar el HMI de Labview en cualquier computadora, esta deberá tener una versión de Labview 2009 o superior, además se deberán actualizar los codecs para que el módulo Xbee sea detectado en el puerto USB como FT232R USB UART, y así poder habilitar en la aplicación de Labview el puerto del que se tomarán los datos COMxx. 184 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] William Smith F., “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”, tercera edición, ed. Mc-Graw Hill. [2] James Shackerlford F., “Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros”, cuarta edición, ed. Prentice Hall (1998). [3] Edward Finn M., “FÍSICA Campos y Ondas”, ed. Addison-Wesley Iberoamericana (1987). [4] Gómez de León E., “Corrientes Inducidas Nivel II END”, ed. Fundación Confemetal. [5] US Deparment of Transportation, “Detection and Sizing of Cracks in Structural Steel Using the Eddy Current Method”, (2000). [6] Holatz-Hans Teuchert A., “Fundamentos de la Electrotecnia segunda parte”, edit. Labor (1968). [7] Berlemann L., Mangold E., Walke B., “IEEE 802, Wireless Systems Protocols, Multi-hop Mesh-Relaying, Performance and Spectrum Coexistence”, edit. Jhon Wiley & Sons (2007). [8] Archundia Papacetzi F., “Wireless Personal Area Network (WPAN) & Home Networking”, edit. Universidad de las Américas Puebla (2003). [9] Álvarez Álvarez G., “El estándar ZigBee”. 185 ANEXOS ANEXO 1.- MANUAL DEL USUARIO. ANEXO 1.1 EQUIPO DE CORRIENTES INDUCIDAS El equipo de corrientes inducidas construido que permitirá la visualización de un plano de impedancias, luego de adquirir los valores de impedancia y ángulo de fase; presentes en la sonda a diferentes frecuencias seleccionadas, está compuesto por tarjetas electrónicas que trabajando en conjunto logran graficar dicho plano de impedancia y la variación del ángulo. El equipo consta de los siguientes elementos como se muestra en la Figura a. Figura a. Equipo de corrientes inducidas. 1.- Pantalla TFT de 5”.- En esta pantalla se visualizará el plano de impedancia y la variación del ángulo en dos gráficas independientes, así también se podrá 186 observar los valores de frecuencia que serán seleccionados por el usuario, los valores de voltaje, corriente, impedancia, la conductividad y el ángulo. 2.- Selector de ON/OFF.- Sirve para encender o apagar el equipo de corrientes inducidas. 3.- Conector BNC.- Aquí se conecta la sonda (Figura b) para obtener los valores de voltaje y corriente a ser procesados para obtener las gráficas. Figura b. Sonda de prueba. Modo de operación: 1.- Enchufar el cable de poder a la red de la toma eléctrica (120V). 2.- Conectar la sonda de prueba al conector BNC. 3.- Encender el equipo. 4.- En la pantalla aparecerá un cuadro de presentación y luego se mostrará los ejes de las gráficas. 5.- Seleccionar la frecuencia a la que se va a trabajar de manera táctil pulsando en la parte superior media de la pantalla si se quiere aumentar la frecuencia o en la parte inferior media de la pantalla si se quiere disminuir la frecuencia en pasos de 10 KHz dentro de un rango que va de los 50 KHz a los 500KHz. 187 6.- Inspeccionar con la sonda de prueba los diferentes tipos de materiales a ser analizados y visualizar en la pantalla el plano de impedancia y la gráfica de la variación del ángulo. 7.- Para visualizar estas gráficas en una mayor escala según convenga al usuario conectarse a la HMI mediante el LabView en una PC. Este procedimiento se desarrollará en el Anexo 1.2. 8.- Para desenergizar el equipo se debe colocar el selector ON/OFF en la posición OFF. Recomendaciones para solucionar fallas en el equipo: 1.- Verificar que exista un voltaje de 120 V entre las fases de alimentación del equipo. 2.- En caso de no encenderse la pantalla cuando el selector ON/OFF este en posición ON y exista el voltaje adecuado de alimentación, verificar el estado del fusible. 3.- En caso de que la pantalla se encienda pero no muestre los ejes de las gráficas, apagar el equipo y encender nuevamente. 4.- Si al palpar con la sonda los distintos materiales no da ningún cambio en las gráficas verificar que la sonda de prueba esté conectada correctamente. 5.- Si algún tipo de avería continúa en el equipo, se recomienda ponerse en contacto con los diseñadores del equipo para dar solución al problema suscitado. ANEXO 1.2 HMI LABVIEW La interfaz del equipo de corrientes inducidas se soporta en el programa LabView, mediante este software se visualizará en una mayor escala las gráficas que se obtiene en el equipo de corrientes inducidas y se podrá analizar con mayor 188 sensibilidad los cambios en los distintos materiales a prueba en el laboratorio de ensayos no destructivos. La Interfaz de configuración consta de los siguientes elementos como se muestra en la Figura c. Figura c. Interfaz de configuración. 1.- Este ícono denominado Gráficas sirve para que luego de configurar el HMI se muestre las gráficas de impedancia y del ángulo, y los valores de conductividad, impedancia y del ángulo. 2.- Este ícono denominado Configuración sirve para establecer los parámetros necesarios para la comunicación del equipo con la PC. 3.- Aquí se establece el número del puerto COM que está habilitado en el computador para el módulo Zigbee. 4.- Aquí se determina la velocidad de comunicación. 5.- Aquí se establece la dirección del archivo que se va a guardar que ya está predeterminado. 6.- Aquí se establece el tipo de archivo que se va a guardar que ya está predeterminado. 189 La Interfaz de gráficas consta de los siguientes elementos como se muestra en la Figura d. Figura d. Interfaz de gráficas. 1.- El STOP sirve para detener las gráficas cuando el usuario lo requiera, y por consiguiente el programa está pausado. 2.- Aquí se muestra la gráfica de ángulo vs tiempo, en donde se puede variar las escalas según convengan. 3.- Aquí se muestra la gráfica de impedancia vs tiempo, en donde se puede variar las escalas según convenga. 4.- Aquí se muestra el valor de conductividad. 190 5.- Aquí se muestra el valor de impedancia. 6.- Aquí se muestra el valor del ángulo. Modo de operación: 1.- Instalar el programa Labiew en un computador. 2.- Abrir el programa de interfaz de configuración. 3.- Conectar el módulo Zigbee en un puerto USB del computador. 4.- Verificar el número del puerto COM habilitado en este computador para el módulo Zigbee. (Revisar el CAPÍTULO 4, Subcapítulo 4.2) 5.- Establecer el número del puerto y la velocidad de comunicación en la ventana de la interfaz de configuración, la dirección y el nombre del archivo ya están predeterminados. 6.- Abrir la ventana de la interfaz de gráficas y ejecutar el programa para visualizar la gráfica del plano de impedancia y la gráfica del ángulo, así también se visualiza los valores de conductividad, impedancia y del ángulo. 7.- Para cerrar el programa, primero detener la ejecución con el STOP y desconectar el módulo Zigbee. Recomendaciones para solucionar fallas en el equipo: 1.- En caso de que no se ejecute el programa, verificar que el número del puerto COM habilitado para el módulo Zigbee sea el correcto. 2.- En caso de que no se abra el archivo del HMI, verificar que la versión del Labview instalado en el computador sea compatible con el archivo. 3.- Si algún tipo de avería continúa en el equipo, se recomienda ponerse en contacto con los diseñadores del equipo para dar solución al problema suscitado. 191 ANEXO 2.- HOJAS DE DATOS. ANEXO 2.1 DATA SHEET DEL ATXMEGA 128A3U. 192 193 ANEXO 2.2 DATA SHEET DEL AD9834 194 ANEXO 2.3 DATA SHEET DEL XPT2046. 195 196 ANEXO 2.4. DATA SHEET DEL TLE2074 197 ANEXO 2.5 DATA SHEET DEL CD4066 198 ANEXO 2.6 DATA SHEET DEL AD620 199 ANEXO 2.7 DATA SHEET DEL LM741 200 201
