Capítulo 4   Acondicionamiento y Caracterización de las Señales   Obtenidas por los Sensores de Presión   

4.1 Introducción  El acondicionamiento de una señal consiste en la manipulación electrónica de dicha señal, con los dispositivos adecuados, para obtener rangos de voltajes o corrientes adecuados a las características del diseño. El acondicionamiento de señales resulta conveniente al momento de realizar una instrumentación ya que al tener una señal con rangos de voltaje más amplios, se puede obtener mayor resolución en la medición, además de presentar mayor inmunidad al ruido en el ambiente de la medición. La caracterización de un sensor consiste en el cálculo de la ecuación característica de su comportamiento. Esto se refiere a la ecuación que determina la razón de cambio en la variable de salida, generalmente una variable eléctrica, con respecto a la variable de entrada, generalmente de índole físico; o viceversa, el cálculo de la razón de cambio de la variable de entrada al tener cierta señal de salida. La caracterización de los sensores resulta esencial para la interpolación de valores. Una buena caracterización genera mediciones con un buen nivel de exactitud.

Capítulo 4

En este capítulo se describe el proceso de diseño de los sistemas de acondicionamiento para cada uno de los transductores de presión, así como el proceso de obtención de las ecuaciones características de su comportamiento.

4.2 Proceso de Caracterización y Acondicionamiento de Sensores  Como dijimos en el capítulo tres, los sensores de presión elegidos para la instrumentación de este proyecto nos generaban una señal de voltaje dentro del rango de 1V a 5V dentro de los rangos de presión que cada uno de los transductores soporta.

Para caracterizar el valor de los sensores de presión, se aplicó una fuerza a un bloque de metal en la máquina universal y se observó la carga que marcaba el indicador mismo de la máquina, mientras se registraba el valor de voltaje correspondiente a la salida del sensor. Una vez realizadas las mediciones, se procedió a obtener las graficas de voltaje contra carga para comprobar que los sensores fueran lineales. Al comprobar que todos los sensores eran lineales, se obtuvo la ecuación de la recta para cada uno de los sensores. A estas ecuaciones se le hizo una manipulación algebraica para que todos los sensores tuvieran un rango de voltaje de salida de entre 0V y 9V. Se armó el circuito correspondiente para cada uno de los sensores y se obtuvo el nuevo valor de las ecuaciones de la recta para los sensores mediante extrapolación. Las señales acondicionadas serán los valores de entrada para la interfaz de datos para el instrumento virtual, mientras que las ecuaciones obtenidas por la caracterización de los distintos sensores nos servirá para realizar el acondicionamiento digital de los valores adquiridos por el instrumento virtual hecho en Labview™.

30

Capítulo 4

4.2.1 Caracterización y Acondicionamiento del sensor SPT4V0030  

El sensor SPT4V0030 se utiliza para medir la carga en la escala de 600 kg de carga de la máquina universal. En la tabla 4.1 se observan las mediciones realizada para dicho sensor al aplicar una carga de 0 a 600 kg a una probeta de aluminio y registrando los valores de voltaje correspondiente a la salida del sensor.

Carga (kg)

Voltaje (V)

Carga (kg)

Voltaje (V)

Carga (kg)

Voltaje (V)

Carga (kg)

Voltaje (V)

0

1.205

125

1.56

300

2.04

550

2.734

25

1.27

150

1.63

350

2.182

600

2.872

50

1.355

175

1.699

400

2.32

75

1.423

200

1.764

450

2.46

100

1.496

250

1.904

500

2.598

Tabla 4.1 Mediciones de Carga y Voltaje en el sensor para 600 kg

Con los valores de esta tabla, se construyó una gráfica de voltaje contra carga (figura 4.1). La gráfica se construyó colocando en el eje de la variable independiente (eje x) el rango de mediciones de voltaje y en el eje de la variable dependiente (eje y) el valor correspondiente a la carga. Esto con el fin de obtener una ecuación que representara el valor de la carga correspondiente a cierto valor de voltaje dado por el sensor. La recta de tendencia lineal obtenida se denota en la gráfica como carga lineal.

31

Capítulo 4

Voltaje/Carga medidos en el sensor SPT4V0030 700 y = 360.87x - 437.21

600 500 Carga

400 CARGA

300

Carga Lineal

200 100 0 -100 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Voltaje

Figura 4.1 Gráfica de Valores obtenidos para el sensor SPT4V0030

Con ayuda de la gráfica generada (figura 4.1) se comprobó la linealidad de la salida del sensor, por lo que se generó la ecuación de la recta a partir de los datos graficados.

La ecuación de la recta para el sensor a 600 kg es: 360.87

437.21

(4.1)

Se realizó la manipulación algebraica para obtener un rango de valores de entre 0V y 9V. Para esto, se modificó el valor del voltaje tomando en cuenta los rangos de voltaje de salida del transductor de presión: 1.205 ·

.

.

5.4 ·

1.205

(4.2)

Sustituyendo este valor de x en la ecuación (4.1) se obtuvo la nueva ecuación de la recta: 66.841

2.3635

(4.3)

32

Capítulo 4

De la ecuación (4.2) se puede observar que el acondicionamiento de la señal consistirá en una resta y una amplificación con cierta ganancia, por lo que se decidió implementar esta parte con un amplificador operacional en modo de amplificador diferencial (figura 4.2). VCC_BAR V1 15Vdc R3

0

5.4k U1 VCC_BAR 3

U2

R2

-

1k

R1 2

OUT

OUT

R4

+

+ 1k

1

0

OPAMP

R5

Vin

OPAMP

5.4k

(1.2V - 2.87V)

0

0

Figura 4.2 Diagrama del circuito de acondicionamiento del sensor SPT4V0030

El circuito consta de un seguidor de voltaje y un amplificador operacional UA741 en configuración de amplificador diferencial. La resistencia variable se ajustó manualmente para obtener a la entrada del seguidor de voltaje un valor de 1.2V. Cabe mencionar en esta sección que la configuración de amplificador diferencial consta de 4 resistencias y dos voltajes de entrada (figura 4.3). El resultado de la salida consiste en la resta de los voltajes de entrada con cierta amplificación a la salida, dependiendo de los valores de resistencias utilizados.

33

Capítulo 4

Figura 4.3 Amplificador operacional en configuración de amplificador diferencial. [7]

De la figura 4.3, en el caso que R0=R3 y R1=R2: 0 1

1

2

Con la implementación del circuito descrito en la figura 4.2 a partir de un rango de voltajes de entrada de 1.25V a 2.87V se obtiene a la salida voltajes del rango de 0V a 9 V. Se realizó la simulación del circuito diseñado y se obtuvieron los rangos de voltaje esperados, como se observa en la figura 4.4.

10V

5V

0V 1.2V V(R3:2)

1.4V V(R4:1)

1.6V

1.8V

2.0V

2.2V

2.4V

2.6V

2.8V

3.0V

V_Vin

Figura 4.4 Simulación del comportamiento para el acondicionamiento del sensor STP4V0030

34

Capítulo 4

4.2.2 Acondicionamiento del sensor SPT4V0300  

El sensor SPT4V0300 se utiliza para medir la carga en la escala de 6000 kg de carga de la máquina universal. En la tabla 4.2 se pueden ver las mediciones realizadas de voltaje y carga al aplicarle una carga de 0 kg a 6000 kg a una probeta de acero cementado.

Carga (kg)

Voltaje (V)

Carga (kg)

0

1.1

700

100

1.15

200

Voltaje (V)

Carga (kg)

Voltaje (V)

Carga (kg)

Voltaje (V)

1.446

2500

2.335

4250

3.2

800

1.496

2750

2.457

4500

3.32

1.2

900

1.545

3000

2.582

4750

3.44

300

1.249

1000

1.596

3250

2.702

5000

3.57

400

1.298

1500

1.849

3500

2.827

5250

3.69

500

1.348

2000

2.088

3750

2.95

5500

3.81

600

1.4

2250

2.211

4000

3.074

6000

4.059

Tabla 4.2 Mediciones de Carga y Voltaje en el sensor para 6000 kg

Con los valores de esta tabla, se construyó la gráfica de voltaje contra carga para el comportamiento de este sensor (figura 4.5). Nuevamente, se construyó la gráfica considerando al voltaje como la variable independiente, para así obtener la ecuación que describe la carga representada por un voltaje a la salida del transductor.

35

Capítulo 4

Voltaje/Carga para el sensor SPT4V0300 6000 5000 y = 2028.7x - 2235.7

Carga

4000 3000

CARGA

2000

Carga Lineal

1000 0 -1000

0

1

2

3

4

5

Voltaje

Figura 4.5 Gráfica de valores obtenidos para el sensor SPT4V0300

La ecuación de la recta para el sensor a 6000 kg es: 2028.7

2235.7

(4.4)

Se realizó la manipulación algebraica para obtener un rango de valores de entre 0V y 9V. Para esto, se modificó el valor del voltaje por un factor determinado a base de los rangos máximos y mínimos dados por el sensor en la escala a trabajar: 1.1 ·

.

.

3.04 ·

1.1

(4.5)

Sustituyendo este valor de x en la ecuación (4.4) se obtuvo la nueva ecuación de la recta: 667.01

4.1958

(4.6)

De la ecuación (4.5) se puede observar que el acondicionamiento de la señal consistirá nuevamente en una resta y una amplificación con cierta ganancia. Se realizó entonces el diseño del circuito de acondicionamiento tomando las mismas consideraciones que para el

36

Capítulo 4

sensor anterior. Los valores de resistencias utilizados, así como la disposición de los componentes se ven en la figura 4.6

VCC_BAR V1 15Vdc R3

0

3k U1 VCC_BAR 3

U2

R2

-

1k OUT

R1 2

OUT

R4

+

+ 1k

1

OPAMP

0

R5

Vin

OPAMP

3k

(1.1V - 4.05V)

0

0

Figura 4.6 Diagrama del circuito de acondicionamiento del sensor SPT4V0300

La resistencia variable se ajustó manualmente para obtener a la entrada del seguidor de voltaje un valor de 1.1V. Con los ajustes anteriores se obtienen a la salida del circuito un rango de voltajes de 0 a 9V mientras se tenga una entrada de entre 1.1V y 4V (figura 4.7). 10V

5V

0V 1.0V V(R3:2)

1.5V V(R4:1)

2.0V

2.5V

3.0V

3.5V

4.0V

4.5V

V_Vin

Figura 4.7 Comportamiento para el acondicionamiento del sensor STP4V0300

37

Capítulo 4

4.2.3 Acondicionamiento del sensor SPT4V2000  

El sensor SPT4V2000 se utiliza para medir la carga en la escalar de 30000 kg de carga de la máquina universal. En la tabla 4.3 se muestran las mediciones de carga y voltaje realizadas mediante la aplicación de una carga sobre un bloque de acero. Carga (kg)

Voltaj e (V)

Carga (kg)

Voltaj e (V)

Carga (kg)

Voltaj e (V)

Carga (kg)

Voltaj e (V)

0

1.008

4500

1.342

9000

1.68

13500

2.011

500

1.047

5000

1.381

9500

1.716

14000

2.046

1000

1.086

5500

1.416

10000

1.751

14500

2.085

1500

1.123

6000

1.452

10500

1.787

15000

2.123

2000

1.158

6500

1.491

11000

1.826

25000

2.87

2500

1.196

7000

1.53

11500

1.863

30000

3.2371

3000

1.234

7500

1.563

12000

1.902

3500

1.27

8000

1.601

12500

1.938

4000

1.307

8500

1.64

13000

1.973

Tabla 4.3 Mediciones de Carga y Voltaje en el sensor de 30000 kg

Con los valores obtenidos, se construyó una gráfica de voltaje contra carga (figura 4.8) De la misma manera con que se realizó el análisis de los sensores anteriores, se definió como variable independiente al voltaje y como variable dependiente a la carga. Con la gráfica de los valores se comprobó la linealidad del sensor, tal y como se especifica en la hoja de datos que provee el fabricante.

38

Capítulo 4

Voltaje/Carga para el sensor SPT4V2000 35000 30000 y = 13465x - 13588 25000

Carga

20000 CARGA

15000

Carga Lineal

10000 5000 0 -5000

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Voltaje

Figura 4.8 Gráfica de carga y voltaje obtenidos para el sensor SPT4V2000

La ecuación de la recta para el sensor a 30000 kg es: 13465

13588

(4.7)

Se realizó la manipulación algebraica para obtener un rango de valores de entre 0V y 9V. Para esto, se modificó el valor del voltaje por un factor determinado de acuerdo a los rangos de voltaje que se midieron para la escala trabajada (de 1V a 3.23V): 1 ·

.

4.03 ·

1.1

(4.8)

Sustituyendo este valor de x en la ecuación (4.7) se obtuvo la nueva ecuación de la recta: 3335

15.387

(4.9)

De la ecuación (4.8) se puede observar que el acondicionamiento de la señal consistirá nuevamente en una resta y una amplificación con cierta ganancia. El circuito implementado

39

Capítulo 4

para esta sección se puede ver en la figura 4.9. Este consta de la misma técnica de diseño que para el acondicionamiento de los dos sensores descritos anteriormente. VCC_BAR V1 15Vdc R3

0

4k U1 VCC_BAR 3

U2

R2

-

1k

R1 2

OUT

OUT

R4

+

+ 1k

1

0

OPAMP

R5

Vin

OPAMP

4k

(1V - 3.23V)

0

0

Figura 4.9. Diagrama del circuito de acondicionamiento del sensor SPT4V2000

La resistencia variable se ajustó manualmente para obtener a la entrada del seguidor de voltaje un valor de 1V. Los rangos obtenidos a la salida del acondicionamiento abarcan valores de 0V a 9V (figura 4.10), de acuerdo con los valores de la entrada, que van de 1V a 3.23V para la escala de cargas a trabajar. 10V

5V

0V 1.0V V(R3:2)

1.5V

2.0V

2.5V

3.0V

3.5V

V(R4:1) V_Vin

Figura 4.10 Comportamiento del acondicionamiento del sensor STP4V2000

40

Capítulo 4

4.3 Resumen del Capítulo  Dentro de este capítulo se describió el proceso que se llevó a cabo para la construcción del sistema de acondicionamiento de cada sensor de carga, y de la caracterización de los valores obtenidos para, a partir de una señal dada de voltaje de salida en el sensor, se pueda realizar el procesamiento a la señal para obtener el valor de carga equivalente a la que se está sometiendo el transductor y por consiguiente, el material de la prueba. Los transductores de presión son alimentados con una señal de 15Vdc y la señal de salida de cada uno varía en un rango de entre 1V a 5V, sin tener cada uno de ellos el mismo rango de salida. Esto debido a que los transductores adquiridos detectan más presión que las escalas a las que se están trabajando en este proyecto. Una vez acondicionados los sensores, los rangos de voltaje se ampliaron a un rango de 0V a 9V. Se determinó este límite debido a que el sistema que adquirirá los datos para convertirlos a señales digitales soporta un voltaje máximo de 10V. Las ecuaciones carga-voltaje obtenidas para cada uno de los sensores nos servirán para realizar el procesamiento digital de las señales y desplegar información de la carga de acuerdo al voltaje de entrada sensado.

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