PRACTICA N 3 ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA Y VELOCIDAD Fecha de entrega: 28 de septiembre Durante la realización de esta práctica el estudiante debe familiarizarse con el uso de dos tipos de sensores: los encoder y la PT100 como sensor de temperatura, así como de los circuitos de acondicionamiento necesarios para su correcto funcionamiento. Adicionalmente, debe comprender los aspectos básicos del trabajo con Labview y consolidar habilidades para la lectura de voltajes análogos usando Arduino y puerto serial. Para esta práctica el estudiante deberá utilizar ambos sensores, acondicionarlos, adquirir la información generada a través de los puertos análogos de un arduino y enviar la información a Labview, donde será visualizada. A continuación se explicará la información básica acerca de cada uno de los sensores y al final se describirá la estructura completa del montaje que debe hacerse en la práctica. 1. ENCODER Un encoder es un transductor que se encarga de convertir un movimiento rotatorio en una serie de pulsos que pueden ser utilizados para calcular ángulo, velocidad, distancia recorrida y dirección de giro de un motor. En su forma más básica, el encoder consta de un disco dentado o perforado acoplado al eje de giro del motor. Un emisor y un receptor infrarrojo se ubican en lados opuestos del disco, de la siguiente manera: El funcionamiento es el siguiente. Figura 1. Estructura básica de un encoder.
a. La luz del emisor puede llegar al receptor en los momentos en los que las perforaciones se encuentran frente al emisor. b. La luz del emisor no puede llegar al receptor cuando el espacio entre perforaciones bloquea el emisor. Al girar el disco, se obtiene en el receptor un cambio de voltajes que forma una onda cuadrada, como se muestra en la figura 2. Figura 2. Funcionamiento básico de un encoder Aunque aquí se habla de emisores y receptores ópticos, existen encoders que utilizan otros tipos de estrategia de forma similar, por ejemplo, usando sensores de efecto hall. En la siguiente figura se muestra un encoder en el cual el disco tiene porciones con magnetización diferente (polo norte o polo sur) y un sensor de efecto hall percibe estas variaciones del campo magnético, generando la señal cuadrada a la salida. Figura 3. Encoder magnético. Con un encoder básico, como los vistos en las figuras anteriores, puede calcularse la velocidad del motor. Para esto se debe conocer la cantidad de perforaciones o dientes que posee el disco y medir la frecuencia de la señal cuadrada y usando la siguiente ecuación.
Freq 60 RPM = # de pulsos x revolución Donde RPM es la velocidad del motor en revoluciones por minuto, Freq es la frecuencia de a señal de salida y # de pulsos x revolución se refiere a la cantidad de perforaciones o dientes que posee el disco. Otra forma posible para medir la velocidad es hacer uso de un conversor frecuencia voltaje, que es un dispositivo que entrega un voltaje análogo proporcional a frecuencia de entrada. De esta forma se tendrá un voltaje que es proporcional a la velocidad del motor. En este caso, es necesario caracterizar el sistema para conocer cuál es la velocidad que corresponde a cada valor de voltaje. (se relaciona velocidad con frecuencia y luego frecuencia con voltaje). Para esto existen integrados, tales como el AK331, el cual puede usarse como conversor de frecuencia a voltaje o de voltaje a frecuencia. En su hoja de datos muestra el siguiente esquema de conexión para conversión de frecuencia a voltaje (para mayor información refiérase a la hoja de datos completa). Figura 4. Conexión del KA331 como conversor de frecuencia a voltaje. 2. PT 100 La PT100 es un sensor de temperatura que varía su resistencia con el cambio de la temperatura, Está compuesta de platino, que posee la característica de que a 0ºC su resistencia eléctrica es 100 Ω, además la relación entre el cambio de temperatura y la resistencia es casi lineal.
Figura 5. Pt 100. El cambio en la resistencia con la temperatura es bastante pequeño y será necesario utilizar algún circuito de acondicionamiento para hacer que este sensor no entregue un voltaje proporcional a la temperatura. Comúnmente, puede usarse un puente de Wheatstone, combinado con un amplificador de instrumentación. 3. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA El desarrollo de esta práctica se compone de dos sensores diferentes, cada uno de los cuales estará conectado al arduino, que a su vez llevará la información al computador. Por un lado se tendrá un encoder con el que debe leerse la velocidad de un motor (cualquier tipo de motor que tenga disponible está bien). Debe tener en cuenta que pueda leer adecuadamente la variable velocidad en el rango de velocidades que maneja el motor usado. Por otro lado se tendrá una pt100 con la que se buscará leer temperaturas entre los 0 y los 120 C. Tenga en cuenta este rango de temperaturas a la hora del diseño del sistema. Veremos cada montaje por separado. 3.1 MONTAJE DEL ENCODER En esta práctica debe diseñarse un sistema que permita medir a velocidad de un motor y enviar esta información por serial a un computador, donde deberá ser mostrada en Labview como se muestra en la figura 6.
ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL ARDUINO PC (Labview) Figura 6. Sistema a realizar. Como se ve en la figura se usará un encoder óptico acoplado a un motor. Puede usarse cualquier motor que usted tenga disponible. El acondicionamiento de la señal consistirá en la circuitería necesaria para el funcionamiento del emisor y receptor óptico y un conversor de frecuencia a voltaje que permita la adquisición de la velocidad como un voltaje análogo. (Si usted prefiere no usar el conversor de frecuencia a voltaje, existe la opción de llevar la señal cuadrada adecuadamente acondicionada a un puerto digital y leer la velocidad mediante software. En este caso el estudiante debe consultar este procedimiento en trabajo independiente. Si tiene dudas sobre este punto consulte al profesor del curso). En la sección 1 de este documento se dio una idea básica del acondicionamiento requerido. Sin embargo el estudiante debe consultar cómo realizar este circuito de acondicionamiento en detalle. 3.2 MONTAJE DE LA PT 100 El estudiante debe consultar el circuito de acondicionamiento para este sensor. Se recomienda el uso de un puente de wheatstone y un amplificador de instrumentación para obtener un voltaje dependiente de la temperatura. También debe leerse este voltaje análogo utilizando Arduino y luego enviarlo por serial al computador, en donde se recibirá esta información usando Labview. En Labview debe diseñarse un programa que permita capturar la información y desplegarla en forma gráfica.
ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL ARDUINO PC (Labview) 3.3 SISTEMA COMPLETO El sistema completo tendrá la siguiente estructura: PT100 CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO ARDUINO INTERFAZ DE VISUALIZACIÓN EN LABVIEW ENCODER CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO Para esto siga los siguientes pasos: Consulte el circuito necesario para acondicionar la pt100 de tal forma que pueda medir una temperatura entre 0 C y 120 C (el circuito debe entregar un voltaje entre 0 y 5V, para que pueda ser leído por arduino). Monte el circuito consultado y compruebe su funcionamiento. Para comprobarlo caliente la pt100 con un cautín o una candela y verifique que el voltaje aumente con el aumento de la temperatura según los esperado (0 a 5V en un rango de 0 C a 120 C) Programe el arduino para leer el voltaje análogo y enviar por serial el valor de la temperatura (para esto debe hallar la ecuación que relaciona temperatura con voltaje).
Monte el encoder y verifique con el osciloscopio que este entregue una señal cuadrada adecuada. Defina si va a hacer la lectura de la velocidad mediante conversor de frecuencia a voltaje y puerto análogo o mediante puerto digital y programación en arduino. Según la decisión consulte el circuito de acondicionamiento y/o programación requerida para este caso. Incluya en la programación del Arduino, según haya elegido, la captura de la información de velocidad por puerto análogo o digital y en envío de esta inforamción vía serial al computador. Diseñe un programa en labview que permita tomar la información enviada por el arduino (teniendo en cuenta que son dos variables) desplegarla de forma gráfica la información en indicadores y en gráficas en el tiempo. 4. CALIFICACIÓN DE LA PRÁCTICA Para esta práctica no debe realizarse informe. Debe mostrarse al profesor el funcionamiento del sistema completo. El profesor realizará preguntas a los estudiantes sobre el sistema. La calificación será en base al funcionamiento de todo el sistema y a las respuestas a las preguntas. La fecha máxima de entrega de la práctica es el 28 de septiembre.