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• Jovan Ramirez Guzman

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S. E. P.

D.G.E.S.T.

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA (ÁREA ELECTRÓNICA)

LABORATORIO DE SENSORES Y TRANSDUCTORES PRÁCTICA NO. 4 SENSOR DE HUMEDAD

EQUIPO No.: 3 INTEGRANTES: 

DE LA ROSA BARAJAS JUAN SALVADOR

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HERNÁNDEZ CRUZ ANGEL JESÚS

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RAMIREZ GUZMÁN JOVÁN ALEJANDRO

_________________________________________ Vo. Bo. DR. GERARDO AGUILA RODRIGUEZ

Objetivo(s):

Sensores y transductores Inteligentes Práctica No. 3 Amplificador de Ganancia 100



Diseñar y construir un sistema de sensado de humedad empleando un circuito oscilador compuesto del C.I. 555 y un convertidor de frecuencia a voltaje.

I Desarrollo Teórico. I.1 Marco Teórico.

Sensor por conductividad para humedad Si se tiene una superficie cualquiera en presencia de una mezcla gaseosa con vapor de agua, siempre habrá cierta cantidad de moléculas de agua presentes en dicha superficie. La presencia de agua permite que a través de la superficie circule una corriente, en ello se basan los sensores por conductividad. En la figura 1, se aprecia la disposición de las partes que componen este tipo de sensores.

Ilustración 1

Se dispone de una superficie pulida, no conductora, sobre la cual se posicionan dos rejillas de oro entrelazadas, sin tocarse. Según sea la Hr (humedad relativa) presente, habrá una cantidad de moléculas de H2O proporcional a ella. Luego al ser conectados los alambres de oro a una diferencia de potencial continua, se producirá una corriente que estará en directa relación con la cantidad de moléculas presentes en la superficie. Se debe conectar un amperímetro en serie para poder registrar la corriente generada. La resistencia R, es una medida de seguridad en caso de 2

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cortocircuitos. Basta calibrar el sensor para obtener medidas de humedad de la mezcla. Al igual que la mayoría de los sensores anteriores se debe proporcionar un flujo de la muestra, para que la medición sea válida. Este sensor no es muy útil, dado que la superficie puede ensuciarse, y no se obtiene un rango de medición grande. El diagrama que ilustra las relaciones entre las variables involucradas, es similar al de la figura 2. Solo cambia la película higroscópica por una superficie no conductora.

Ilustración 2

Circuito oscilador con TL081 Un oscilador es, básicamente, un amplificador al cual se le aplica una retroalimentación positiva, con lo que es capaz de regenerarse y dar a su salida una señal periódica. La Figura 1 muestra el diagrama de bloques de un oscilador, en el que se observa el símbolo general del amplificador más una red de retroalimentación, generalmente compuesta de resistencias y condensadores.

Realmente, no todos los amplificadores retroalimentados entrarán en oscilación, siendo imprescindible para que lo hagan el cumplir dos requisitos fundamentales, conocidos con el nombre de criterios de Barkhausen, los cuales son necesarios y suficientes. Estos criterios son:

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El desfase total sufrido por una señal en lazo cerrado ha de ser 0º o múltiplo de 360º.

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El producto de �� (ganancia de voltaje del amplificador) por � (factor de atenuación de la red de retroalimentación) ha de cumplir

� ��≥1 Ec. 1 Si este producto es igual a 1, el resultado es una onda senoidal pura, la cual degenerará en onda cuadrada para un producto superior a la unidad. Oscilador de relajación. El circuito típico del oscilador de relajación se muestra en la Figura 2. Se compone básicamente, de un comparador con histéresis de voltaje de referencia 0, y su voltaje de entrada es el proporcionado por la carga de un condensador.

Al conectar la alimentación, el condensador � se encuentra descargado, siendo nulo, por tanto, su voltaje. Como un OpAmp nunca es ideal, existirá un pequeño voltaje offset de salida ��2 que, al aplicarse a la terminal no inversora de entrada, provocará la saturación del OpAmp. Suponga, para simplificar, que esta saturación es de signo positivo, es decir, ��2 vale +����. En estas 4

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condiciones la terminal no inversora se encuentra a un potencial de � ����, en la que � representa la relación �=�2�1+�2 Ec. 2 Si ��2 es igual a +����, el condensador �, que inicialmente está descargado, comenzará a cargarse a través de �3, y transcurrido un tiempo determinado, el condensador habrá alcanzado un voltaje ligeramente superior a � ����, siendo, por tanto, mayor el voltaje de la terminal inversora y provocando una saturación negativa del OpAmp, iniciándose nuevamente el proceso con polaridades invertidas. Las formas de onda del voltaje del capacitor y de la salida del Amplificador Operacional se muestran en la Figura.

Conversor LM2907 El LM2907 es un conversor de menor precisión y menos versátil que el LM331, ya que solo realiza la conversión de frecuencia en tensión. En su circuito interno incluye: un comparador de tensión en la entrada con una función de histéresis, una bomba de carga como convertidor frecuencia en tensión y un amplificador operacional con un transistor de salida. El diagrama en bloques del circuito interno lo observamos en el siguiente diagrama:

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Funcionamiento del LM2907 La señal de entrada ingresa al teminal no – inversor del AO de entrada produciendo el disparo de la bomba de carga cada vez que la señal supera los 0 V (observen que el terminal inversor del AO esta a masa). En este caso la señal de entrada es la proveniente de un sensor magnetico. Para analizar en detalle el funcionamiento de la boma de carga deberiamos recurrir al circuito completo (suministrado por el fabricante en las hojas de datos), pero no es nuestra intencion describir en detalle los circuitos internos, sino que tengamos los conocimientos necesarios para utilizar adecuadamente el circuito integrado. Así que solo daremos una explicacion funcional del bloque. La bomba de carga trabaja de la siguiente forma: Cada vez que se dispara la bomba se activara una fuente de corriente que proveerá una corriente saliente del pin 2 y alternante como se muestra en la figura siguiente. De esta forma la tensión en el pin 2 evolucionará entre dos valores que son aproximadamente ( ¼ ) Vcc y ( ¾ ) Vcc (en 6

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realidad entre ( ¼ ) Vcc - Vbe y ( ¾ ) Vcc – Vbe pero veremos que solo nos interesa la diferencia entre estas dos tensiones). Es decir la diferencia de tensión en un ciclo de carga y descarga en el pin 2 es de ∆V = Vcc / 2. Conjuntamente la bomba de carga copia esta misma fuente de corriente del pin 2 en el pin 3 pero siempre en el mismo sentido (siempre saliente del circuito integrado). Veamos las siguientes curvas para aclarar gráficamente el funcionamiento:

II Desarrollo Práctico. II.1 Material y equipo a utilizar.     

Fuente de voltaje +12V Circuito integrado TL081 Circuito integrado LM2907 Resistencias Capacitores

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Sensor de Humedad Protoboard Osciloscopio Multímetro Digital

II.2 Procedimiento y resultados. 1.- Armar el circuito oscilador con el C.I. TL081 para generar una onda cuadrada con frecuencia de 4.5KHz con un Ciclo de trabajo de aproximadamente 50%. Calculo para la frecuencia de 4.5KHz R3=1/(4.5KHz)(2.2)(10nF)=10.1KΩ Donde: 4.5KHz es la frecuencia deseada. 2.2 es una constante. 10nF es para bajar la impedancia del sensor.

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2.- Colocar el sensor de humedad en el lugar del condensador de 10nF en serie. A continuación de muestra la tabla de dominios del circuito oscilador con el sensor.

Calibración Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3

% de Humedad 62% 82% 91% 100%

Voltaje 4.82V 4.15V 3.9V 3.4V

Frecuencia 460KHz 7.5KHz 7KHz 6.4KHz

3.- Armar el circuito de convertidor de frecuencia a voltaje con el C.I. LM2907 al cual se le conectara a su entrada la salida del circuito oscilador.

4.- Desarrollo de la interfaz de LabView funcionando con el sensor de humedad.

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IV Conclusiones y recomendaciones. Un sensor de humedad se basa en la variación de capacitancia de un cuerpo, lo cual se logra al proveer a un embobinado plano o “rejillas” de una superficie con diversas materiales los cuales causan dicho efecto. Dicha capacitancia es conectada a un circuito que crea frecuencia a partir de esta variación, de tal forma que al ´humedecer el sistema se aumenta o disminuye la frecuencia. Tal variación de frecuencia se interfaza con un convertidor de frecuencia a voltaje y es este cambio que debe delimitarse a un máximo de 5V para no dañar los pines analógicos del arduino. Tal cambio es observable en una interfaz gráfica en LabView, la cual permite observar de forma simple y clara en porcentaje la concentración de humedad en un entorno.

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Cabe señalar que se usó un oscilador con amplificadores operacionales, ya que este circuito nos da una frecuencia de dos polaridades, negativa y positiva, mientras que el circuito oscilador propuesto con el integrado 555 era únicamente de una sola polaridad, por lo que para el circuito convertidor de frecuencia voltaje, no había ninguna frecuencia, ya que el 555 solo alterna la señal en un solo ciclo positivo. Cuando se integró este circuito los resultados fueron favorables. Se colocó el Sensor de Humedad en serie con un capacitor para reducir la impedancia del sensor y realizar mediciones adecuadas.

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