Proyecto Final Instrumentacion

INSTRUMENTACIÓN y MEDICIONESProyecto Final ALBERTO CANTILLO ALARCON Cód. 72243477 JOSE ARTURO DAZA B. Cód. 79498929 JOSE ANGEL MONTAÑEZ ROJAS Cód. 74321176 PRESENTADO A: DIANA GISELA VICTORIA INSTRUMENTACION Y MEDICIONES Curso: 201455_7 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA. ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA. INGENIERÍA ELECTRONICA JUNIO DE 2013 1 INTRODUCCION La medición de capacitancia se puede realizar por diferentes formas a través de los diferentes capacímetros que se encuentran en el mercado. Se puede realizar con instrumentos a base de puentes de medición (Schering y/o Wien), o por microprocesadores, o por circuitos integrados o por detector sincrónico. De cualquier modo se busca que la medición arroje resultados confiables basados en criterios estandarizados y ampliamente entendidos por quienes realizan la medición. Este proyecto se encara desde un marco teórico levemente más general que el correspondiente al medidor de capacidad a construir de modo que estén sentadas las bases para la construcción de dispositivos similares como detectores y sensores inteligentes y se den los criterios correspondientes para diseñar una adquisición remota de las medidas y los datos que ellos producen sin incurrir en errores. El estado de la tecnología electrónica actual provee a los diseñadores una gran diversidad de elementos que posibilitan la implementación de instrumentación electrónica que logra alta exactitud. Los microcontroladores fácilmente programables, sumados a los amplificadores operacionales y las temporizaciones exactas dadas por los cristales de cuarzo permiten la implementación de instrumentos de mano de bajo consumo y también dan origen a los llamados sensores inteligentes; en los cuales se necesita “hardware” mínimo por cuestiones de tamaño, consumo y costos. Con estas herramientas se plantea el diseño y la puesta en marcha de un medidor de capacitancia digital, el cual es un instrumento de mano basado mayormente en un microcontrolador y unos pocos componentes accesorios que, gracias a la lógica de control y (considérese una llave selectora) como de una intervención del usuario al sistema (debe ser el operador quien debiera seleccionar la escala adecuada de medida). Los instrumentos eléctricos de medición tienen una gran importancia, durante mucho tiempo se ha buscado la medida de precisión ya que a través de ellos podemos tener o conseguir la medida de las corrientes eléctricas, cargas, energía y potencial, además de la resistencia, la capacidad, la capacitancia y la inductancia. 2 utilizando el puente de Wien o Schering. Si no también poder ahondar en lo interno de su funcionamiento y diseño. 3 . Saber cómo funcionan las cosas algo que de por si debe ser nuestro objetivo general como futuros ingenieros. Tener un pleno conocimiento no solo del uso de los instrumentos de medición del laboratorio y de nuestra profesión. Para medir la variable capacitancia de acuerdo con las condiciones establecidas para el proyecto. Sustentar el sistema de instrumentación para medir la variable de capacitancia de acuerdo con las condiciones establecida para el proyecto. Creemos que más allá de que el proyecto funcione correctamente o no lo más importante es la interacción tanto en el campus virtual como en los laboratorios con los tutores en búsqueda de solución a las inquietudes y posibles fallas que presente el circuito y diseño.OBJETIVOS Diseñar e implementar un sistema de instrumentación para medir la variable capacitancia. En las medidas electrónicas nos encontramos con que hay varias formas de determinar la capacidad de un elemento.JUSTIFICACIÓN La asignatura de Instrumentación y medición de la Universidad Nacional Abierta y a Distancia busca dotar a los estudiantes de carreras técnicas y afines con el campo de la medición. los cuales son utilizados preferentemente para determinar el factor de pérdidas en capacitores. He aquí que el diseño e implementación de un capacímetro es la oportunidad para aprender a fondo de la instrumentación y mediciones enfocada a nuestra profesión. basado en su fundamentación teórica y las experiencias compartidas por sus compañeros de grupo colaborativo. lo que lo hace un método poco práctico para adquirir una medida en forma automática. Su implementación y puesta a punto es algo complicada y el acercamiento a la medida debe realizarse en forma manual por el operador el proceso se asemeja a una sintonización. 4 . Por ende. de competencias y habilidades que le permitan un desenvolvimiento exitoso en ese campo del saber. este proyecto final busca que el estudiante aplique de manera práctica los conocimientos adquiridos durante el semestre de esta asignatura y dé cuenta de su capacidad de análisis. Algunos métodos se basan en un puente de impedancias los llamados puente de “Wien” y de “Schering”. En el Diagrama de la figura1.DESCRIPCIÓN Marco Teorico. Mientras que los puentes de Maxwell-Wien. Donde se especifica Vs podría estar colocado un galvanómetro o sensor. Entonces: 5 . El equilibrio ocurre cuando el Voltaje entre los puntos A y B (VAB) es igual al voltaje entre los puntos A y C (VAC) siendo los voltajes VDB y VDC también iguales. No es muy diferente a otros puentes como el de Weatstone por lo que la ecuación para la condición de equilibrio y obtención de la capacitancia desconocida resulta ser fácil de deducir. Owen y Hay se emplean para medir inductores. el puente de Schering da las lecturas más exactas. que tienen por fin ajustar el puente (hacer que la tensión del puente sea nula) Z2 es una resistencia. solo que en este caso se trabaja con impedancias (Medida en ohmios. Para medir capacitores en circuitos donde el ángulo de fase es casi de 90º. Z3 es un condensador. los puentes de Wien y Schering se emplean para medir condensadores. Zx es un condensador en serie con una resistencia (objeto de la medida). El puente de Schering se emplea sobre todo para medir la fuga en condensadores de alta Tensión. La idea consiste en variar los componentes de la impedancia Z2 hasta obtener la condición de equilibrio de este puente (Vs=0 o usando un galvanómetro I=0). se refiere a la combinación entre la resistencia y la reactancia en un circuito eléctrico). Z1 está formada por un condensador variable en paralelo con una resistencia variable. .......... (1)...........(6) 6 ......(2) ..................(4) Ecuaciones 3 y 4 en............ (5) Sustituyendo las últimas 4 ecuaciones en 5............................(3) ..... Para que la Tensión Vs=0............. .......... Igualando parte real con parte imaginaria se obtiene: De la figura 2 se deduce que: ............. con lo cual se tiene: Cx= Cx= C 3 R1 R2 ( 10 X 10−12 )∗(1050) 20 7 . C3=10pF.ANÁLISIS TEÓRICO Para un puente de Schering con una entrada AC de 10KHz. R1=1050. R2=20. la resistencia Rx y el factor de disipación “D” entre la maya C1y R1. C1=200pF. hallar la capacitancia de Cx. Cx=525 pF Rx= Rx= R2 C1 C3 20∗205 X 10−12 10 X 10−12 Rx=410 Ω D=ωC 1 R 1 D=10 X 103∗200 X 10−12∗1050 D=2.1 X 10−3 SIMULACION EN PROTEUS Algunos Métodos De Medición Convencionales 8 . demorando alrededor de un segundo. Los multímetros digitales convencionales miden la capacitancia administrando corriente constante al capacitor durante un intervalo fijo de tiempo. un detector sincrónico elimina la parte real de la tensión sobre Rs. El acercamiento a la medida debe realizarse en forma manual por el operador (el proceso se asemeja a una sintonización). Otra técnica es la del detector sincrónico. Método De Medición Por Respuesta Transitoria Este método se denomina también de integración. el capacitor C comenzará a cargarse a través de la resistencia R y el voltaje V se incrementará C en función del tiempo transcurrido desde la conmutación de la llave. lo que permite obtener una tensión de salida que. Cuando la llave de la figura se abre. es proporcional a la capacidad. los cuales son utilizados preferentemente para determinar el factor de pérdidas en capacitores (D). Algunos métodos se basan en un puente de impedancias (los llamados puente de “Wien” y de “Schering). midiendo el voltaje resultante y luego calculando la capacitancia.En las medidas electrónicas nos encontramos con que hay varias formas de determinar la capacidad de un elemento. la tensión del capacitor puede ser de solamente alrededor de algunos voltios. La tensión sobre Rs estará en fase con la corriente que pasa por el capacitor. La lectura es lenta. el cual utiliza un oscilador de una frecuencia sinodal conocida y muy exacta que se aplica a una resistencia Rs que está en serie con el capacitor a medir Cx. ya que el modelo matemático de un capacitor nos dice que la tensión en sus bornes V es función de la integral C de la corriente de carga: V (t) = 1/C ∫ i (t) dt C C El transitorio ocurre cuando en un circuito R-C serie el capacitor se carga a una tensión constante E. Este proceso se denomina transitorio de carga. salvo por un factor. 9 . Como la carga se hace usando la tensión interna. RC ln [1 – V /E] 1 C1 Esto significa que t es proporcional a C. si bien está afectado por 1 1 un factor constante. si nos interesa el valor del tiempo transcurrido para que el capacitor alcance una tensión V : C1 t = . el cual es adimensional. Manteniendo las condiciones anteriores. En el caso de tener un capacitor previamente cargado en una red R-C serie. para lo cual necesi-tamos un voltaje de referencia dado por un comparador de voltaje que nos indique cuando V alcanza la tensión C de carga V o se descarga hasta una V . Si bien de acuerdo a los C1 C2 fundamentos dados. la medición del tiempo de carga se podría realizar con un solo voltaje de referencia. podríamos en principio obtener el valor de la capacitancia en base a la medición del tiempo de carga o de descarga de un capacitor en una red R-C serie. Esto se dificulta en la práctica por las siguientes razones: 10 . nos indica el valor de la capacitancia. el cual tiene un circuito y una ecuación que le corresponde: Por lo anteriormente expuesto.72 aproximadamente). podemos producir un transitorio de descarga.Manteniendo a E y R constantes. C[Faradio] y “e” se denomina número de neper (2. Por lo tanto t . R[Ohm]. lo cual se expresa en la siguiente fórmula: V C = E [1 – e –t/(RC) ] En donde las unidades corresponden a t [Segundo]. la tensión V será función del tiempo en el cual C el capacitor se mantuvo en carga. debemos tener dos comparadores de tensión que indicarán si se produjo la carga o la descarga. esto aumenta el intervalo de medición. Estos requisitos fueron tomados en el diseño del temporizador 555.edu. SOLUCIONES CON TEMPORIZADOR 555 En vista de la necesidad de evitar los valores extremos.utn. El valor que indica la carga debe ser menor a E (ten-sión de alimentación de la red R-C) y el valor que indica la descarga debe ser mayor a cero Voltios. el cual tiene un comparador de ventana que acepta como valor mínimo V =1/3E para interpretar C que se produjo la descarga y como valor máximo V =2/3E para asumir que se C produjo la carga. Corrientes de fuga en las entradas analógicas: Causan errores de medida en valores cercanos a cero voltios. si bien se llega a C valores tan cercanos que pueden ser considerados como tales. Tomado de http://frvm.pdf 11 . Habrá un tiempo transcurrido entre el comienzo de la carga y el cronometraje: Esto causa un pequeño error de medición que generalmente puede ser ignorado.En realidad el voltaje no cae a 0 voltios en la descarga ni alcanza la tensión máxima E en la car-ga: Tenemos que matemáticamente la curvas de tensión de V son asíntotas que no adquieren los va-lores extremos.ar/carrera/grado/electronica/tecnologia/documentos/Capacimetro. Fenómenos como el de absorción dieléctrica (reaparición de tensión en terminales de un capacitor luego de haberse descargado) y la caída de tensión en la llave de descarga acentúan este efecto. punto en el cual comienza el transitorio de carga nuevamente.44 / [ (R + 2R ) C ] A B X Además necesitamos que la carga y descarga no sea un acontecimiento único. C tensión en la cual se genera un nivel alto a la salida del comparador conectado a “Reset”. produciendo un transitorio de carga cuando V < 2/3E para luego cambiar el circuito (cuando V = 2/3E) mediante la C C acción de un transistor que produce un transitorio de descarga hasta que V = C 1/3E. que hace memorizar un nivel bajo al biestable (Se produce nuevamente el transitorio de carga). el cual memoriza el nivel alto de tensión que se produce en el comparador conectado a “Set” cuando V = 2/3E (Comienza C transitorio de descarga). llamándose esta configuración modo astable. En este modo se actúa sobre la red R-C. Una entrada adicional de “Reset” permite poner a nivel bajo el biestable con una señal externa. EL PUENTE DE “WIEN” 12 . Esta memorización se mantiene hasta que V = 1/3E. Para este motivo el 555 incorpora una memoria de 1bit o biestable.Frecuencia de oscilación de esta configuración: F = 1. sino que se repita periódicamente. El temporizador 555 permite esta posibilidad. lo cual es útil si trabajamos con más de un circuito temporizador. lo cual nos permite inhabilitar el temporizador 555 para que no oscile. ya que nos permite habilitar solamente el que realice mejor la medición. Se debe tener una memoria que permita mantener la topología de la red (O sea que mantenga la configuración de las conexiones eléctricas que llevan a cabo el transitorio de carga o descarga según corresponda) hasta que se logre efectivamente la carga o descarga. y capacitores electrolíticos de gran capacidad.El puente de “Wien” se destina en principio a la medición de la capacidad de capacitores cuyas pérdidas son apreciables y pueden considerarse como resistencia paralelo. R2 y R3 son de precisión y no inductivos. los resistores R1. el resistor Rx representa la pérdidas del capacitor bajo ensayo. En la figura siguiente se muestra el esquema de un puente de “Wien” típico. 13 . por ejemplo el ensayo y medición de cables de dos conductores (envainados para energía eléctrica o coaxiles para RF). Claro que si lo que se desea medir es el factor de pérdidas (D). como puede verse en las ecuaciones anteriores. aisladores. La figura siguiente muestra el esquema básico de un puente de “Schering”. R1 y además la frecuencia del generador utilizado para exitarlo. y puede lograrse variando R3. se prefiere utilizar el puente de “Schering”. que en estas circunstancias y a diferencia del anterior.Tomado de http://frvm. y en los cuales se desea determinar las características del mismo como dieléctrico).pdf Conseguir la condición de equilibrio del puente y obtener los valores de Cx y Rx es bastante engorroso. la operación se simplifica. ya que el valor de D es: D = w R3 C3 EL PUENTE DE “SCHERING” Cuando se desea medir capacidad y factor de pérdidas de capacitores y otros elementos que tienen capacidad asociada. es un poco más fácil de equilibrar. Los capacitores C4 y C3 son patrones regulables en décadas.ar/carrera/grado/electronica/tecnologia/documentos/Capacimetro.utn.edu. todos los elementos que puedan considerarse como capacitores en serie con una resistencia de bajo valor. entanto que R3 y R2 14 . tales como cables armados para alta tensión. transformadores de potencia para uso industrial (Que utilizan aceite como refrigerante. son los elementos de ajuste que permiten equilibrar el puente.ar/carrera/grado/electronica/tecnologia/documentos/Capacimetro. no interesa tanto la resistencia Rx. En este caso se consigue la lectura independiente.utn. que es: D = w C3 R3 La operación más fácil para obtener el equilibrio se consigue manteniendo constantes los valores de R3 y C4. y regulando R2 y C3.edu.pdf Sin embargo. Tomado de http://frvm. DESCRIPCIÓN EL CIRCUITO El sistema se divide en dos (2) secciones un conjunto principal y otro de visualización. El diagrama de bloques muestra como está armado el capacímetro. pues C3 no entra en la fórmula de Cx e interviene directamente en la determinación de D. sino el factor de pérdidas. como el puente de “Schering” se usa sobre todo para materiales aislantes. En cambio R2 entra solamente en el cálculo de Cx. 15 . 16 . DIAGRAMA DE FLUJO DEL CAPACÍMETRO 17 . Los astables A y B se obtienen de dos chips 555 y la compuerta NAND de un 4011B. Estos tiempos se evalúan mediante las siguientes formulas: TA = 0. La posición del selector determina al mismo tiempo el periodo del astable A (oscilador Maestro) y el tiempo de carga del astable B (oscilador de lectura). el astable A genera un tren de pulso de frecuencia fija mientras la capacitancia a medir (Cx) controla la frecuencia del astable B. un multivibrador monoestable doble y una compuerta de habilitación. El selector S1 es de tipo DP3T (Dos polos tres posiciones).693 ( R4 + R5 + RTB ) Cx 18 . La cantidad de pulsos que pasan mientras la señal de B es alta es numéricamente igual a la capacitancia de Cx en picofaradios. nanofaradios o microfaradios.EL conjunto principal consta de una llave selectora S1.693 ( R1 + 2RTA ) C2 TCB = 0. dos (2) multivibradores estable. Para la escala seleccionada. Las señales de A y B se combinan en la compuerta NAND para producir los pulsos de reloj del contador. la salida del astable B es alta y los pulsos del astable A pasan al contador. numéricamente igual al valor de Cx en cada escala. La tabla resume los valores teóricos de RTA y RTB para cada escala. Esos puntos de ajustes son teóricos. Por ejemplo. Para la escala de 1000 pF.Donde RTA Y RTB son los valores suministrados por el selector a los astables A y B en cada escala. R2 debe ajustarse de modo que TA sea igual 3.33 us. formado por el monoestable 4528B y contador 4553 B. por ejemplo 999pF en la escala 1000 pF. RTA es de 360Ω.8 KΩ. Durante este tiempo deben pasar al contador 330 pulsos. Durante el tiempo TCB. Así mismo.8KΩ puesto que R8 = 10 KΩ R9 debe ajusarse a 3. Cuando en cada escala se mide la máxima capacitancia posible. Por tanto. con decodificador y tres displays de siete (7) segmentos. esa salida es baja y el contador no recibe pulsos. el valor de TCB es proporcional al valor del condensador Cx que se pretende medir. para la escala de 1000 nF RTB = 13. pasan 999 pulsos hacia el contador y la lectura es máxima.4 ms.4 / 330 = 10. 19 . Como puede verse. 999nF ó 999 uF). Durante el resto del periodo. se Cx = 330 pF y el selector está en 1000pF TCB = 3. el codificador 4543B y los tres displays. El circuito de visualización consta de un contador. La cantidad de pulsos contabilizados en el tiempo TCB deben ser siempre. La tabla relaciona también el valor nominal de A y el valor máximo de TCB para cada escala (999pF. Los pulsos a la salida de la NAND alimentan el circuito de visualización. Esto implica que R2 debe ajustarse a 360Ω. Los valores de TA y TCB son claves para garantizar la lectura final de los displays corresponda con el valor real de Cx. TRIMERRESISTENCIA 500 Ω IC4 .0.MC14553B CONDENSADO R3 .DISP3: LA6960 R6 .CD4543B DISPLAY ( ANODO R4 -120 Ω C1.470 pF DISP1.TRIMERR1 .330Ω 5KΩ IC5 .01 Uf COMUN) R5 .CD4528B R9 .0.C2 .470Ω C3.1MΩ C5 .001 Uf OTROS 20 . C4 .270KΩ RES IC6 .FASES O ETAPAS DEL PROYECTO ESQUEMA DE CONEXIÓN HERRAMIENTAS PARA IMPLEMENTAR EL PROYECTO MATERIALES REQUERIDOS Hardware R2 . 21 . 330pF.S1. R13 . TRANSISTORE S PNP Q1-Q3 2N3906 CIRC. y los módulos VSM y Electra. Por ejemplo. desarrollado por Labcenter Electronics que consta de los dos programas principales: Ares e Isis. 0. Por ejemplo. Ahora sitúe el selector en la escala 1000 nF e inserte en el socket de Cx un condensador cuya capacidad sea conocida y esté dentro de ese rango.8 KΩ R14 .R23 1KΩ 1 LLAVE C6 .10KΩ R10 . sitúe el selector S1 en la escala de 1000 pF e inserte en el socket De Cx un condensador cuya capacitancia sea conocida y este dentro de este rango.0.1 Uf SELECTORA3P4T. IC2 LM 555 IC3.47 uF = 470 nF. A continuación ajuste el valor del potenciómetro R2 hasta que la lectura en los displays coincida con el valor bajo prueba.9 MΩ R8. R1 .6.R20 220Ω R21 .R7 .3. Para calibrar el capacímetro. INTEGRADOS IC1. Ajuste el potenciómetro R9 hasta que el valor de los displays coincida con el valor en nanofaradios del condensador bajo prueba.10 MΩ R13. CD4011 B Software El software de simulación es Proteus es una compilación de programas de diseño y simulación electrónica. CALIBRACIÓN. 22 .La escala de 1000 uF no necesita calibración. pues se comprobó que responde de manera asertiva en la medición de condensadores electrolíticos. sería importante poder tener un blog de laboratorio de electrónica donde podamos tener acceso a la información y guías de laboratorio actualizado y horario. se puede dar un alto grado de exactitud y precisión.  El componente teórico afianzó a los estudiantes en la realización del proyecto como también ayudó a la solución de los problemas presentados. También debemos fortalecer los medos de interacción y comunicación en la UNAD.  El montaje descrito es un prototipo sencillo. las distancias no deben ser una limitante en nuestro desarrollo académico – profesional. 23 .  El montaje en Proteus aseguró a través de la simulación el funcionamiento y coadyuvó al entendimiento de cada uno de los componentes.CONCLUSION La construcción del capacímetro es muy sencilla y su coste muy bajo.  Fue necesario investigar y descargar libros con información referente al tema y consulta foros en internet y videos para descartar la falla presentada  Fue necesaria la simulación antes de poder implementar en físico el circuito  Al final se pudo constatar en la simulación en Proteus el funcionamiento básico del microprocesador y la ejecución de las instrucciones del programa de secuencias Como Acciones De Mejora. Se trata de un pequeño equipo que puede dar grandes servicios y además rinde cuenta del desarrollo del curso Instrumentación y mediciones. http://www.1997.ar/materias/ins_med/archivos/Instymed_t7. 1991. http://elimperioelectricista.com. Albert P. http://books.co/books?id=ENwTPoYjLdsC&pg [9]. http://www. Editorial Prentice Hall 1982.http://prof.ve/capacimetro-digital-cekit/ [16]. http://iaci.http://www. Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos.org/ [19].'Análisis de medidas eléctricas' de E.ve/mirodriguez/InstCap5. Robert L. IRWIN. http://www.edu.google.'Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas de Medición' de W. [13].com/Mediciones+El%C3%A9ctricas [12].ar/medidase1/practicos/puentes_corriente_alterna. [2].com.google.microchip.com. 1996: McGraw-Hill. Electronic Communication Edit.http://prezi.L.wikispaces.com/pesadillo/?p=6965 [18]. [14]. http://elm-chan. BOYLESTAD.edu.com. ttp://www1.isaachernandez.ar/? 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