Detector de Metales. Esteves Castro Jesús López Pineda Gersson Mendoza Meza Jonathan Pérez Gaspar Augusto Sensores y actuadores

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1 Universidad Veracruzana! Sensores inductivos Instrumentación Electrónica Esteves Castro Jesús López Pineda Gersson Mendoza Meza Jonathan Pérez Gaspar Augusto Sensores y actuadores Detector de Metales Jalapa Enríquez, Ver.

2 ! Sensores inductivos Detector de metales (sensores inductivos) Objetivo Los sensores inductivos tienen gran presencia en los procesos de componentes mecánicos mas rigurosos, generalmente están presentes en industrias como lo son automovilística y aérea, en donde se presentan grandes partes metálicas mecánicas con lubricantes espesos que podrían contaminar otros tipos de sensores mas delicados o susceptibles a estos ambientes. Hablaremos de un pequeño detector de metales, que pueden utilizar en la búsqueda de tuberías o vigas en paredes. En esta practica se empleara un circuito oscilante, que permitirá entrar en resonancia con un sensor inductivo preconstruido; una bobina que al entran en su campo magnético un metal cambiara su valor inductivo y el nivel pico de la señal de salida. En la figura 1 se muestra el diagrama esquemático completo a implementar. Figura 1. Diagrama esquemático a implementar Desarrollo El primer amplificador, se utiliza como generador de onda cuadrada, y el segundo está configurado como un comparador. La resistencias R1 y R2, forman un divisor de tensión, que permite utilizar estos amplificadores con una tensión no simétrica de 9v para hacerlo portátil aunque en laboratorio se puede alimentar con 5v. La resistencia R3, produce una realimentación positiva, que al generar cierta histéresis dentro del operacional, produce su oscilación. Este oscilador es del tipo R-C, es decir resistencia y condensador. La frecuencia de este generador, está determinada por el valor del potenciómetro P1 y el condensador C1.

3 Al ser P1 ajustable, podemos fijar al valor deseado la frecuencia de salida. La señal cuadrada se desacopla por medio del condensador C2, y se limita en corriente por la resistencia R4, antes de aplicarla al circuito sintonizado formado por la bobina L1 y el condensador C3. La bobina L1, puede ser de dos tipos, y en las líneas siguientes, indicaremos como la construimos de forma practica, tratando de ser más precisos. El condensador C4, junto con los diodos D1 y D2, forman un circuito rectificador- doblador, que transforma la señal presente en extremos del circuito sintonizado, en una corriente continua igual al doble de la señal de pico. El condensador C5 y la resistencia R5, forman un filtro que elimina el pequeño rizado del rectificador. Las resistencias R6, R7 y los condensadores C6, C7, son dos filtros paso bajos utilizados para detectar los pequeños cambios de amplitud de la señal rectificada y aplicarlos al comparador. El funcionamiento total del circuito es muy simple. En un primer paso, se ajusta el potenciómetro P1 para obtener a la salida del operacional una frecuencia igual a la de resonancia, del conjunto L1/C3 a 60 khz tal como se observo en el osciloscopio de laboratorio. En este instante, en extremos de L1/C3, se obtiene la máxima amplitud de la señal (resonancia). El nivel de pico de esta señal es doblado y convertido a un valor de corriente continua, y se aplica al circuito comparador. Cuando un objeto metálico, entra dentro del campo electromagnético generado por la bobina, absorbe energía del circuito sintonizado, lo que produce una variación de amplitud, que una vez filtrada se lleva al comparador, que activa el diodo led conectado a su salida y el buzzer emitirá el sonido de cambio resonante. Es decir, en presencia de metal, el diodo se enciende y el buzzer emite su sonido cambiante, pero debemos destacar que el circuito detecta variaciones de amplitud, por tanto este tipo de detector funciona en modo movimiento, o dicho de otra manera, solo se detecta el metal cuando se mueve delante de la bobina (o la bobina sobre el metal). La bobina El corazón del detector de metales es su bobina de búsqueda, nuestro sensor inductivo. En nuestro caso, solo es necesaria una simple bobina de hilo de cobre aislado (barnizado), con núcleo de aire, marcada en el esquema como L1.

4 Su uso es interior, es decir lo montamos para buscar tuberías y vigas antes de realizar perforaciones inciertas en paredes y techos, la bobina estará formada por 60 espiras de hilo de 0,3mm sobre un soporte de 10cm de diámetro. En la figura dos se muestra la construcción de la bobina; sobre una tabla de caucho se clavan 8 pares de clavos a 10 cm equidistantes uno frente al otro, para formas un circulo del diámetro especifico que facilite su construcción. Figura 2. Construcción de la bobina, sensor inductivo. Después de las 60 espiras requeridas, apoyados de la cinta de aislar, sostenemos las partes intermedias con fuerza es importante que queden firmes y justas una espira con otra; así podremos retirar el embobinado del circulo base. Finalmente se debe terminar de aislar completamente con cinta para evitar corrientes parásitas que se puedan introducir por las fuentes de lamparas presentes en el laboratorio por ejemplo. Así es como construimos y obtenemos nuestro sensor inductivo. Bien hasta aquí tenemos completos los componentes de nuestro circuito y su funcionamiento, ahora lo llevamos a su simulación y practica, recordando todos los principios de las clases anteriores de la experiencia educativa en cuanto a los circuitos de acondicionamiento así como el principio de los inductores.

5 Simulación En la figura 3 se muestra la simulación en LTSpice de la primera etapa con el operacional oscilador fundamental para la resonancia de L1/C3. Figura 3. Simulación LTSpice del oscilador y la salida resonante del conjunto L1/C3. En las figuras 4 A) y B) se aprecian las gráficas de salida del operacional y entre L1/C3 donde observamos, su respuesta en frecuencia y su salida en amplitud de voltaje respectivamente. Figura 4 A)

6 Figura 4 B) Figura 4. Respuesta del circuito oscilador y L1/C3, en frecuencia y amplitud de Notamos la respuesta en frecuencia del oscilador y la frecuencia de resonancia del conjunto L1/C3 que mencionamos debe estar trabajando a la misma frecuencia tal como se aprecia, tras el ajuste en P1 igual a 390 ohms, trabajamos el oscilador a una frecuencia de 60 KHz. Al entrar un metal en el campo magnético observamos un cambio a mayor inductancia lo que hace varias la resonancia o máxima amplitud de señal a la salida del conjunto del sensor tal como se aprecia en la gráfica misma que es filtrada en el segundo operacional del circuito y llevada a un valor de corriente continua hacia su salida. De esta forma comprobamos la respuesta deseada de nuestro circuito implementado en simulación y procedemos a su montaje sin mayor duda de que obtendremos la detección de metales a partir de una buena contracción de nuestro sensor inductivo.

7 Calculo de la inductancia de la bobina con núcleo de aire Empleando el par de formulas tal como se expuso en clase, comprobamos los valores de nuestra bobina a partir de las especificaciones que presenta el devanado así como a partir de la frecuencia de resonancia manejado. Para nuestra bobina de 60 espiras, con diámetro de 10cm y longitud de 0.5 cm tenemos: - n: es la cantidad de espiras (vueltas de alambre) - d: es el radio de la bobina en centímetros - l: es la longitud del arrollado en centímetros - L: Inductancia en microhenrios L (uh) = [(d 2 ) (n 2 ) / (18 d + 40 l)] L (uh) = [(10 2 ) (60 2 ) / (18 (10) + 40 (0.5))] = uh Calculo de la inductancia de la bobina a partir de la frecuencia de resonancia: Mediante nuestra simulación en LTSpice pudimos corroborar que la frecuencia resonante del conjunto L1/C3 es de 60kHz, frecuencia a la cual también se ajusto el operacional oscilador. Con esta frecuencia calculamos la inductancia: f = frecuencia en hertz - Hz L = inductancia en henrios C = Capacidad en faradios π = 3,1416 L = 1 / 4π 2 f 2 C L = 1 / 4π 2 (60kHz) 2 (10E-9)= uH

8 Conclusión Con los últimos cálculos observamos una correspondencia en los valores de la bobina calculados mediante ambas expresiones, que también están respaldadas con la simulación LTSpice. Al medir la bobina con un dispositivo dedicado, vario un tanto el valor arrojado, esto de debe al parámetro de longitud de la bobina las 60 espiras no están repartidas a la misma longitud determinada por los cálculos de 0.5 cm, sin embargo si se busca su uniformidad en este característica los cálculos coincidirían con el dispositivo medidor. La proporción de la bobina en 60 espiras no esta para nada alejada y se alcanza el pico de amplitud dada la frecuencia resonante lo que permite activar la salida indicadora. Con esta practica aplicamos estos cálculos teóricos básicos para inductores que formas parte de los principios de sensores inductivos, que al llevarlos al laboratorio comprobamos sus ventajas como son; alta precisión, son muy robustos y de parámetros ajustables a partir de la construcción de la bobina y largo ciclo de vida útil por el poco desgaste del sensor. Al final de esta practica quedan comprendidos los conceptos de los sensores inductivos y podemos aplicarlos en procesos en los que sean requeridos con total certeza, pasaremos al estudio de los sensores electromagnéticos en lo que resta del curso.

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