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Sistemas de Adquisición de Datos

Universidad Autónoma de Ciudad Juárez

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Sistema de monitoreo climático de un invernadero. 

Cesar Enrique Cortez Pando: [email protected]. Instituto de Ingeniería y Tecnología, UACJ. Resumen — En este documento se redacta el procedimiento de diseño de un sistema de medición de temperatura y humedad. Se utilizaron los sensores LM35 para medir temperatura, y HCZ-J3 para medir humedad. El sensor de temperatura posee un comportamiento lineal y una salida en voltaje que es amplificada y el sensor de humedad es de principio resistivo y comportamiento no lineal. Palabras clave— Amplificador operacional, acondicionamiento de señal, sensor de humedad, divisor de voltaje, sensor de temperatura, LM35.

denomina humedad absoluta. Normalmente se mide la humedad relativa que es la relación entre la presión parcial del vapor de agua presente y la necesaria para que hubiera saturación a una temperatura dada. Se expresa en un porcentaje. La mayoría de los aislantes eléctricos presentan un descenso de resistividad brusco al aumentar su contenido de humedad (Fig. 1).

I. INTRODUCCIÓN Actualmente, la implementación de sistemas de medición es imprescindible, por lo cual es necesario estudiar los sistemas de medida, conocer sus componentes y como diseñar uno. En este documento se describirá el diseño de un sistema de monitoreo de temperatura y humedad relativa en el ambiente. El objetivo de este trabajo es el diseño de un sistema de medida de temperatura y humedad, con un rango de 20ºC a 50ºC en temperatura y 20% a 90% de humedad relativa. Se realiza el análisis correspondiente para implementar las funciones de los diferentes componentes del sistema, comenzando por la definición de los parámetros de los sensores y como lograr los requerimientos especificados a través de la etapa de acondicionamiento. Adicionalmente se utilizara el software LabVIEW para adquirir e interpretar la información proporcionada por el sistema diseñado. II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS A. Aspectos generales Un sistema es una combinación de dos o más elementos, subsistemas y partes necesarias para llevar a cabo una o más funciones. La función de un sistema de medida es la asignación empírica de un número a una propiedad o cualidad de un objeto para describirlo [1]. Los sensores basados en la variación de una resistencia eléctrica son muy comunes, esto es porque muchas variaciones físicas afectan la resistencia eléctrica de un material. B. Higrómetro Resistivo. La humedad es la cantidad de vapor de agua presente en un gas o de agua absorbida en un líquido o un sólido. La masa de vapor de agua contenida en un volumen dado de gas (g/m3) se

Fig. 1. Respuesta típica de un higrómetro resistivo.

La relación entre la humedad relativa y la resistencia es no lineal, en algunos casos puede aparentar ser exponencial. C. Sensor HCZ-J3 Las aplicaciones del componente son la medición de humedad relativa, control y presentación. Su implementación puede ser dispuesta en diversos productos finales como sistemas de aire acondicionado, humidificadores, deshumificadores, higrómetros, etc. D. Divisor de voltaje. En un circuito en serie, el voltaje en los elementos resistivos se dividirá en función de la magnitud de los niveles de resistencia. Existe un método denominado regla del divisor de voltaje (RDV) que permite la determinación de los niveles de voltaje. 𝑅𝑇 = 𝑅1 + 𝑅2

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𝐸 𝑅𝑇

𝐼= Al aplicar la ley de Ohm: 𝑉1 = 𝐼𝑅1 = (

𝐸 𝐸 𝑅1 ) 𝑅1 = 𝑅𝑇 𝑅𝑇

𝑉2 = 𝐼𝑅2 = (

𝐸 𝐸 𝑅2 )𝑅 = 𝑅𝑇 2 𝑅𝑇

Observe que el formato para 𝑉1 y 𝑉2 es: 𝑉𝑥 =

𝑅𝑥 𝐸 𝑅𝑇

Regla del divisor de voltaje.

Fig. 3. Respuesta del HCZ-J3.

Tabla 1 (Unidad: KΩ).

Fig. 2. Circuito en serie demostrando la RDV

E. LM35. La serie LM35 son sensores de temperatura de precisión en circuito integrado, con una salida de voltaje linealmente proporcional a la temperatura en grados Centígrados. Por lo tanto el LM35 tiene una ventaja sobre los sensores lineales de temperatura calibrados en grados Kelvin, ya que el usuario no necesita sustraer un gran voltaje constante de la salida para obtener la escala conveniente en grados Centígrados. El LM35 no requiere de ninguna calibración externa para proporcionar una precisión típica de ±0.25ºC a temperatura ambiente y ±0.75ºC sobre la escala completa de -55ºC a 150ºC de temperatura. La baja impedancia de salida, salida lineal, y la precisa calibración del LM35 hacen el diseño de circuitos de interfaz especialmente sencillo. El dispositivo es capaz de operar con una sola fuente de potencia o con fuentes positivas y negativas. El bajo consumo de 60 μA de potencia produce un muy bajo calentamiento interno menor a 0.1ºC en aire estacionado. III. CARACTERIZACIÓN A. Sensor HCZ-J3. El HCZ-J3 es un sensor de humedad relativa ambiental disponible en dos versiones, una sin armazón y otra con armazón. La respuesta del sensor (Fig. 3) es no lineal de apariencia casi exponencial y está representada en la Tabla 1.

B. Amplificador operacional. La serie LM358 consiste de dos amplificadores operacionales independientes de alta ganancia, internamente compensados por frecuencia los cuales fueron diseñados específicamente para operar con una sola fuente de alimentación sobre un amplio rango de voltajes. Las áreas de aplicación incluyen amplificadores de transductores, bloques de ganancia en corriente directa y todos los circuitos convencionales de op amps los cuales pueden ser implementados más fácilmente en sistemas de una sola fuente de alimentación. Características:     

Compensado internamente de frecuencia para ganancia unitaria. Gran ganancia de voltaje DC: 100 dB. Amplio ancho de banda de ganancia unitaria: 1 MHz. Amplio rango de alimentación: o Fuente única: 3V a 32V. o Fuente doble: ±1.5V a ±16V. Bajo voltaje de offset a la entrada: 2 mV.

C. LM35. El LM35 es un sensor de temperatura en circuito integrado con una salida de voltaje lineal que cuenta con las siguientes características:

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Calibrado directamente en grados centígrados. Respuesta lineal con factor de escala de 10𝑚𝑉 ⁄°𝐶 Precisión asegurada de 0.5ºC (a 25ºC). Rango de operación de -55ºC a 150ºC. Bajo costo. Consumo de corriente menor a 60μA. Voltaje de operación de 4V a 30V. No linealidad típica de ±0.25ºC. Baja impedancia de salida, 0.1Ω para una carga de 1 mA.

Grafica 1. Respuesta del HCZ-J3 con Rp en paralelo y promedio calculado.

El comportamiento de HCZ-J3 ahora puede ser descrito por una función dependiente únicamente de la humedad 𝑍 = −0.17𝑅𝐻3 + 15.3𝑅𝐻2 − 486.65𝑅𝐻 + 1051.3 Fig. 4. Configuración típica del LM35.

IV. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL. A. Sensor HCZ-J3. La señal para un sensor resistivo, como el HCZ-J3, se puede acondicionar por medio de:  Acondicionamiento Clásico: que puede ser por medio de un Divisor de Voltaje, o por medio de un Puente de Wheatstone.  Osciladores.  Interfaz directa con Micro controladores. V. SISTEMA DE MEDIDA PROPUESTO. Se diseñó un sistema para medir temperatura de 20oC a 50oC y del 20% al 90% de humedad relativa tomando en cuenta los siguientes datos y requerimientos:  Vcc=5V.  ADC=14 bits (DAQ 6009).  δ(LM35)= 10 mV/°C. A. HCZ-J3. Primeramente se atiende el comportamiento exponencial del sensor HCZ-J3, para acercar su comportamiento a algo más lineal con el propósito de disminuir el error. El comportamiento de la Fig. 3 es atenuado colocando un resistor en paralelo con el sensor, el valor de este resistor debe estar fuera del rango de impedancias del sensor, por lo que se decidió que 𝑅𝑝 = 1100𝛺. Posteriormente se aprecia que la impedancia del sensor también es afectada por la temperatura por lo que el sensor genera varias curvas de respuesta, este fenómeno es contrarrestado promediando los valores y obteniendo una función que describa la curva generada por estos valores, como se muestra en la gráfica 1.

Donde RH es el valor absoluto de la humedad relativa (0.2 0.9) y Z la impedancia del sensor. Para calcular la Resistencia del divisor de voltaje que va en serie con el sensor HCZ-J3 se optó por una resistencia igual a la resistencia nominal mínima del sensor: 𝑅 = 𝑅0(50℃/90%𝑅𝐻) = 600Ω Después se calcularon los voltajes máximo y mínimo de salida del divisor: 𝑉𝑠𝑀𝐴𝑋 = 𝑉𝑠𝑀𝐼𝑁

𝑅𝑥 999.6Ω 𝑉𝑐𝑐 = 5𝑉 = 3.124𝑉 𝑅 + 𝑅𝑥 600Ω + 999.6Ω 𝑅𝑥 600Ω = 𝑉𝑐𝑐 = 5𝑉 = 2.5𝑉 𝑅 + 𝑅𝑥 600Ω + 600Ω

Para ajustar el nivel del voltaje se desplazó la salida del divisor de voltaje por un 𝑉𝑜𝑓𝑓 = 2.5𝑉, entonces: 𝑉𝑠𝑀𝐴𝑋 = 624𝑚𝑉 𝑉𝑠𝑀𝐼𝑁 = 0𝑉 Por último, para ajustar el rango de voltaje de salida del divisor de voltaje al rango de voltaje que admite la tarjeta DAQ 6009 (5V), se amplificó el voltaje con un Op-Amp (LM358): 𝐺=

5𝑉 − 0𝑉 = 8.01 0.624𝑉 − 0𝑉

Para la obtención de la ganancia deseada se propuso el valor de 𝑅1 = 100𝐾𝛺, teniendo en cuenta 𝑅2 = 𝑅1 𝐺 ∴ 𝑅2 = 801𝐾𝛺 Obteniendo así el circuito final de un Amplificador Operacional Diferenciador:

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Fig. 6. Circuito de acondicionamiento para el sensor LM35.

5V

Fig. 5. Circuito para Acondicionamiento de Sensor HCZ-J3 con Divisor de Voltaje.

5V Vomax=0.624V Vsmax=3.124V RHmax=90% Hum RHmin=20%

Divisor de Voltaje

Resta de Offset y amplificación

DAQ 6009

Vomax=300mV Vsmax=500mV Tmax=50°C Temp Tmin=20°C

Divisor de Voltaje

Resta de Offset y amplificación

DAQ 6009

Vsmin=200mV Vomin=0 0V

Vsmin=2.5V Vomin=0 0V Una nota importante es el conocer las características no ideales del LM358, como lo son una salida que no ocupa el rango completo de 0 a 5V y un error existente en la ganancia calculada.

C. Interfaz de LabVIEW. Para el procesamiento y presentación de la información proveniente del circuito de acondicionamiento de los sensores se diseñó una interfaz (Fig. 7) que permitiera al usuario establecer los parámetros de control de temperatura y humedad que permitirán al programa realizar las acciones de control.

B. LM35. Debido a que la salida del sensor ya es de voltaje lo único que queda es ajustar el rango de salida de 0V a 5V. 10𝑚𝑉 𝑉𝑚𝑖𝑛 = 20℃ ( ) = 200𝑚𝑉 ℃ 10𝑚𝑉 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 50℃ ( ) = 500𝑚𝑉 ℃ Para esto es necesario ajusta un 𝑉𝑜𝑓𝑓 = 0.2𝑉 y ajustar la ganancia. 𝐺=

5𝑉 − 0𝑉 = 16.67 500𝑚𝑉 − 200𝑚𝑉

Por lo que también es preferible utilizar un amplificador operacional en configuración de amplificador diferencial (Fig. 6). Para la obtención de la ganancia deseada se propuso el valor de 𝑅2 = 1𝑀𝛺, teniendo en cuenta 𝑅1 =

𝑅2 ∴ 𝑅1 = 60𝐾𝛺 𝐺

Fig. 7. Código de la interfaz de LabVIEW.

Las operaciones realizadas en los circuitos de acondicionamiento fueron revertidas en Fig. 8 y Fig. 9 para lograr obtener temperatura y humedad relativa a partir de los voltajes adquiridos por la tarjeta de adquisición.

Fig. 8 Obtención de la temperatura del LM35.

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Fig. 9. Obtención de la humedad relativa del HCZ-J3.

La interfaz de Labview (Fig. 10) muestra los controles para establecer los límites de temperatura y humedad, así como el estado actual de dichas variables y las acciones de control que se encuentran en proceso para regresar las variables dentro del rango establecido. Cuando una de las variables monitoreadas sale del rango establecido una alerta es desplegada de inmediato así como la acción de control que esta por ejecutarse, por ejemplo, supóngase que el rango de temperatura está programado de 20ºC a 32ºC, si la temperatura llegara a rebasar los 32ºC el programa desplegaría un mensaje de que la temperatura rebaso el límite superior y encendería un abanico para bajar la temperatura por debajo de los 32ºC.

Fig. 11. Circuito de acondicionamiento implementado.

La planta de prueba fue presentada en 3 recipientes cerrados que contenían arena seca, arena húmeda y arena mojada, por separado (Fig. 12). Los sensores fueron introducidos a través de un agujero en el recipiente y se tomaron lecturas de humedad y temperatura dentro de cada uno. Fig. 13 y Fig. 14 muestran una de las mediciones realizadas en la interfaz de LabVIEW y el sistema invernadero implementado respectivamente.

Fig. 12. Simulación de diferentes condiciones de un invernadero.

Fig. 10. Interfaz de usuario en LabVIEW.

VI. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y DISCUSIÓN. Las operaciones de acondicionamiento demostraron tener un comportamiento previsto por las operaciones de acondicionamiento arrojando resultados esperados. El circuito fue implementado sobre una tarjea perforada (Fig. 11) para incrementar su portabilidad, disminuir la probabilidad de falsos contactos y cortos circuitos, e intentar realizar un proyecto más portátil. Las resistencias del circuito son de preciosion de ±1% de error sobre el valor nominal de la resistencia, el sensor LM35 de temperatura, el sensor HCZ-J3 de humedad y el amplificador operacional LM358.

Fig. 13. Medición realizada sobre el recipiente con arena húmeda.

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El puerto digital fue utilizado como indicador de que operaciones de control estaban activas, las acciones de control son el abanico para disminuir la temperatura, calefacción para aumentar la temperatura y regar para elevar la humedad. VII. CONCLUSIONES. Cesar Cortez: El proyecto demostró ser un reto de principio a fin pero VIII. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] Fig. 14. Hardware completo del sistema.

Con el propósito de estimular al sensor de temperatura y mostrar que el circuito acondicionador y el procesamiento en LabVIEW trabajan correctamente se calentó el sensor con una fuente de calor externa al sistema (Fig. 15) y se tomó una lectura de temperatura como se muestra en Fig. 16.

Fig. 15. LM35 estimulado por el calor de un cautín.

Fig. 16. Respuesta del LM35 al calor.

Ramón Pallás-Areny and John G. webster, “Sensors and Signal Conditioning,” Wiley-Interscience. “Hoja de datos LM35 Series.” http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf Robert L. Boylestad, “Introducción al análisis de circuitos eléctricos”, Prentice Hall. “Hoja de datos HCZ-J3” http://www.farnell.com/datasheets/1355480.pdf