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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE ENTRENAMIENTO DIDÁCTICO DE SENSÓRICA PARA EL LABORATORIO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
INTEGRANTES:
ROOSEVELT ALEXANDER RUBIO URIBE DAVID VEGA BONILLA
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. MAYO 2006
Nota de Aceptación
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________________________
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________________________ Jurado
________________________ Jurado
________________________ Jurado
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DEDICATORIA
A nuestros padres que nos prestaron su apoyo durante toda nuestra carrera y nos ayudaron a superar las dificultades cuando se nos presentaron y a las personas que incondicionalmente estuvieron con nosotros.
3
AGRADECIMIENTOS
Al Ingeniero Fernando Moreno, director de carrera, por su Colaboración y total disposición durante el desarrollo del mismo.
Al Ingeniero Antonio J Albarracin, por toda su gran ayuda y respaldo en cada una las dificultades que se presentaron durante el desarrollo del proyecto.
Al Ingeniero Pedro Luis Muñoz por su constante apoyo e interés frente al avance del proyecto.
A la C.S. Patricia Carreño Moreno, por su Colaboración y gran ayuda en el desarrollo del documento.
A la Universidad de San Buenaventura y a la Facultad de Ingeniería por su respaldo.
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE ENTRENAMIENTO DIDÁCTICO DE SENSÓRICA PARA EL LABORATORIO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
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RESUMEN
El presente proyecto muestra el análisis de señales mediante un módulo de entrenamiento didáctico que consta de tres sensores, el primero de temperatura (DS18S20), el segundo de presión (MPX5700) y el tercero de humedad (HIH3610) que procesan la variable que cada uno mide para poder manipularla y comparar las unidades de medición con los voltajes que suministran; así mismo se visualiza en una pantalla de cristal líquido el valor medido y por medio de una aplicación en Visual Basic verificar el comportamiento de las variables y ver su respuesta en el tiempo. El sensor de temperatura tiene un rango de operación de -500C hasta 1270C, el sensor de humedad tiene un rango de operación entre 0% y 100% de humedad relativa, el sensor de presión posee un rango de operación entre 0 y 250 Kpa cuyos niveles de operación son adecuados para la realización de practicas de laboratorio.
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TABLA DE CONTENIDO
1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.............................................................13 1.1.
1.1.1.
Sistema completo MPS® PA 204 .....................................................13
1.1.2.
Sensor de presión SDE3 ..................................................................15
1.1.3.
ADR - 1000 PLUS ............................................................................15
1.1.4.
ADR-3000.........................................................................................16
1.2.
DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ............................17
1.3.
JUSTIFICACIÓN .....................................................................................18
1.4.
OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN.......................................................19
1.4.1.
OBJETIVO GENERAL......................................................................19
1.4.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................19
1.5.
2.
ANTECEDENTES ...................................................................................13
ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO...................................20
1.5.1.
ALCANCES ......................................................................................20
1.5.2.
¿A quién beneficia la creación de este módulo? ..............................20
1.5.3.
Limitaciones .....................................................................................20
MARCO DE REFERENCIA ............................................................................21 2.1.
MARCO CONCEPTUAL..........................................................................21
2.1.1.
¿Qué es un sensor? .........................................................................21
2.1.2.
Sensor de Temperatura DS18S20 ...................................................21
2.1.3.
Sensor de Presión MPX5700 ...........................................................22
2.1.4.
Sensor de Humedad HIH3610 .........................................................22
2.1.5.
¿Qué es un módulo? ........................................................................23
2.1.6.
¿Qué es una interfaz? ......................................................................24
2.1.7.
Partes por millón (PPM) ...................................................................24
2.2.
MARCO LEGAL O NORMATIVO ............................................................25
2.2.1.
Normas o estándares de los sensores: ............................................25
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2.3.
MARCO TEÓRICO ..................................................................................26
2.3.1. SENSORES UTILIZADOS...................................................................30 2.3.2. Consideración de los distintos tipos de sensor y sus aplicaciones .......32 2.3.3. Psicometría...........................................................................................32 2.3.4. Sensores por desplazamiento ..............................................................33 2.3.5. Sensores Capacitivos ...........................................................................34 2.3.6. Efectos de la temperatura y la humedad ..............................................35 2.3.7. Sensor de sal saturada de cloruro de litio.............................................37 2.3.8. Sensores de punto de rocío de óxido de aluminio. ...............................38 2.3.9. Higrómetro óptico de condensación.....................................................39 2.3.10. Higrómetro electrolítico .......................................................................41 2.3.11. Sensor Piezo-resonante .....................................................................42 2.3.12. Estándares de calibración...................................................................43 2.3.13. Sensores de temperatura ...................................................................45 2.3.14. Sensores externos ..............................................................................47 2.3.15. Sensores internos ...............................................................................50 2.4.
Sectores estratégicos en los que aplicamos la sensórica........................54
2.4.1.
Máquina Herramienta - Definición y concepción del producto..........54
2.4.2.
Diseño y desarrollo de sistemas mecatrónicos de altas prestaciones 54
3.
2.4.3.
Concepción y desarrollo de accionamientos ....................................55
2.4.4.
Validación experimental de máquina................................................55
2.4.5.
Desarrollo y optimización de procesos .............................................55
2.4.6.
Control numérico avanzado..............................................................56
METODOLOGÍA .............................................................................................57 3.1.
Enfoque de la investigación.....................................................................58
3.2.
Líneas de la Investigación .......................................................................58
3.2.1.
Investigación básica y aplicada. .......................................................58
8
3.3.
Técnicas de Recolección de la información.............................................59
3.4.
Población de Muestra ..............................................................................59
3.5.
Hipótesis..................................................................................................59
3.6.
Variables..................................................................................................60
3.6.1.
Variables Independientes .................................................................60
3.6.2.
Variables Dependiente .....................................................................60
4.
Recursos y Presupuestos ...............................................................................61
5.
DISEÑO INGENIERIL.....................................................................................62 5.1.
DIAGRAMA GENERAL ...........................................................................62
5.2.
DISEÑO ELECTRÓNICO ........................................................................63
5.3.
Acople de la señal del sensor de humedad .............................................64
5.4.
Acople de la señal del sensor de presión ................................................65
5.5.
Aplicación del DAC 0808 .........................................................................66
5.6.
Acoplamiento De Potencia ......................................................................67
5.7.
Filtro de acople para la entrada al microprocesador................................67
5.8.
CUERPO PRINCIPAL DEL PROGRAMA................................................68
5.9.
Interfaz Gráfica del PC ............................................................................69
6.
RESULTADOS ...............................................................................................70
7.
CONCLUSIONES ...........................................................................................71
8.
RECOMENDACIONES...................................................................................72
9.
GLOSARIO .....................................................................................................73
10.
RECURSOS................................................................................................82
10.1.
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................82
10.2.
INTERNET ...........................................................................................82
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TABLA DE GRÁFICOS
Sensores................................................................................................................27 Psicómetro .............................................................................................................33 Resistencia de Platino ...........................................................................................36 Sensor de Sal Saturada.........................................................................................37 Sensor Piezo-resonante ........................................................................................43 Termocupla ............................................................................................................45 Presupuesto...........................................................................................................61
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE ENTRENAMIENTO DIDÁCTICO DE SENSÓRICA PARA EL LABORATORIO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
INTRODUCCIÓN
Los métodos de enseñanza han evolucionado, teniendo en cuenta la necesidad de cultivar los conocimientos con procesos de acompañamiento práctico que afiancen dichos conocimientos. Como respuesta a esta necesidad se empiezan a diseñar los módulos de equipamiento didácticos que son de gran utilidad y además de gran importancia para la educación. Estos módulos permiten a los estudiantes comprobar teorías y además ver sus aplicaciones. En países donde el avance tecnológico va a pasos agigantados, la implementación de módulos de entrenamiento didácticos es indispensable para afianzar el aprendizaje en los contextos nacientes. En este aspecto Colombia no es la excepción, donde hace algunos años se están implementando estos módulos de equipamiento con fines educativos, donde se muestra la realidad de los equipos de tipo industrial, sus avances tecnológicos y sus aplicaciones. Al diseñar e implementar un módulo de equipamiento didáctico de sensórica para aplicaciones industriales se empieza por escoger las variables a medir, acoplar dichas variables y mostrar paso a paso toda la perspectiva que abarca trabajar con el análisis de señales (variables) y sus aplicaciones. Este proyecto consta de tres etapas; la primera es la captación de la señal y la transformación de la variable a voltajes que se puedan manejar en el circuito. La
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segunda etapa es la amplificación de la señal para darle el tratamiento que exige el acoplamiento de esta señal y así llevarla a la tercera etapa que es la visualización de la misma, ya sea en la pantalla de cristal líquido o en el computador por medio de una programación específica en programas como Visual Basic y lenguaje ASSEMBLER.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. ANTECEDENTES
Existen algunos módulos ya implementados por empresas como FESTO, OMVICROM, AMERICAN TRAFIC S.A., entre otras. Pero dichos módulos son para aplicaciones industriales. Algunos de ellos son:
1.1.1.
Sistema completo MPS® PA 204
La tecnología de regulación se explica de forma clara y práctica utilizando algoritmos de regulación P, PI o PID. El sensor de temperatura – la estación del reactor utiliza termorresistencias PT100 – suministra una señal de 0...10 V a través del transductor de medida. El regulador controla la temperatura de consigna por medio de un calentador de regulación continua y la mantiene constante. Utilizando un caudal constante, las materias primas se combinan en la estación de mezcla según una receta. El caudal es registrado por medio de un sensor de caudal electrónico con impulsor y visualizado adicionalmente utilizando un caudalímetro. El regulador ajusta el caudal necesario por medio de la bomba con regulación analógica. Regulación de presión asegura una alta calidad de filtrado durante el llenado. El sensor de presión con display LCD, salida analógica y salida conmutada, suministra siempre la variable de medición correcta. El regulador de presión proporcional asegura una calidad de filtrado constante durante todo el proceso. El nivel de llenado del depósito dosificador es detectado en la estación de llenado utilizando un sensor analógico de nivel. El control regula el nivel de llenado al valor
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de consigna requerido a través de la bomba de regulación continua. El nivel de llenado en el depósito dosificador se mantiene constante durante el llenado, lo que optimiza la calidad del proceso de llenado. El sistema de compone de las estaciones de filtrado, mezcla, reactor y llenado. La estación de filtrado filtra el líquido. Este es bombeado del primer depósito al segundo a través del filtro utilizando diversas válvulas de proceso. El líquido filtrado es luego alimentado al primer depósito en la estación de mezcla. Esta estación mezcla productos de tres depósitos según diferentes recetas. La mezcla acabada es bombeada a la estación del reactor, en donde reposa. Según la receta seleccionada, se activan diferentes perfiles de temperatura con diferentes tiempos de agitación. La estación de llenado, dosifica el líquido en botellas. Las botellas son transportadas a la estación de llenado por medio de transportadores. Un separador neumático separa las botellas. Las botellas son llenadas con diferentes cantidades desde el depósito dosificador, según la receta seleccionada. •
Fácil puesta a punto, simulación y visualización utilizando la SimuBox
•
Mediciones
multimedia,
regulación
en
bucle
abierto
y
cerrado,
funcionamiento, supervisión y puesta a punto utilizando Fluid Lab®-PA •
Inicio de secuencias de proceso en el PLC o supervisión utilizando el panel táctil
•
El PLC o el regulador industrial incluidos para cada estación pueden asumir la función de regulación. La parametrización del regulador se realiza en el panel táctil o directamente en el regulador industrial. Todas las variables del proceso se muestran claramente – incluso las tendencias – tanto en el panel táctil como en el regulador industrial.
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El sistema completo MPS® PA1 ofrece todo lo necesario para una iniciación eficiente en la tecnología de medición y regulación en bucle a abierto y cerrado. 1.1.2.
Sensor de presión SDE3
El sensor de presión optimizado en espacio SDE3 se halla entre el sensor de presión de alta funcionalidad SDE1 y el presostato de coste optimizado SDE5.2
Versátil: Gracias a la detección de presión relativa y diferencial, y al alto grado de integración – con la opción de dos interruptores de presión independientes y display LCD en una sola unidad.
Rápido y adecuado: la interface de operador intuitivo y la rápida opción de autoprogramación reducen los costes de formación y el tiempo de puesta a punto.
Fácil lectura: Gracias a la indicación de presión alfanumérica o al gráfico de barras para eventos dinámicos en un display LCD bicolor retroiluminado.
Fiable: El SDE3 es adecuado para conceptos TPM y con ello puede ayudar a garantizar la máxima disponibilidad de las instalaciones.
Protegido: El bloqueo por código permite leer los ajustes pero evita modificaciones no autorizadas.
1.1.3.
ADR - 1000 PLUS •
1 2
Contador/Clasificador de tráfico portable.
http://www.festo.com (9 de junio de 2006) http://www.festo.com (9 de junio de 2006)
15
•
Memoria
onboard
de
2
MB
-
capacidad
de
almacenamiento
incrementada. •
Opción de memoria PCMCIA - para almacenamiento adicional.
•
Rápida instalación, fácil de usar.
•
Esquema "F" o clasificación customizable.
•
Opción de alimentación solar
•
Switches aereos
•
Waterproof housing
•
Estándar U.S. o unidades métricas
El Peek ADR-1000 plus provee una óptima funcionalidad y es muy fácil de usar como un contador/clasificador. Los módulos de sensores internos permiten al Peek ADR-1000 plus monitorear las entradas utilizando loops, piezas o contactos. La memoria estándar se ha incrementado a un total de 2MB, 1MB para programar y un MB para el almacenamiento de datos. Una memoria PCMCIA está también disponible para extender la capacidad de almacenamiento.
1.1.4.
ADR-3000 •
Fácil de instalar y operar
•
Operación multilínea hasta 64 entradas
•
Estándar de clasificación FHWA o programable por el usuario.
•
Comunicaciones de Alta Velocidad y telemetría
•
Estándar U.S. o unidades métricas.
•
Panel de control integrado con lectura LCD.
•
Opción de memoria PCMCIA
•
Opción de almacenamiento solar
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•
SreeterArnet y compatible GK
El Peek ADR-3000 provee una funcionalidad óptima como unidad permanente o semipermanente. En su configuración básica como un contador/clasificador, puede monitorear hasta 4 carriles de tráfico con una combinación de loops y sensores piezo. Con dichas opciones, el ADR-3000 puede contar hasta 64 carriles o clasificar hasta 32 carriles de tráfico.
También existen módulos realizados por empresas como EDIBON S.A. El módulo está formado por una robusta bancada, la cual alberga los sistemas de alimentación y de control de una serie entre los que se encuentran: •
Unidad base “BSUB”
•
Módulos de ensayo
•
Vibraciones y/o deformación
•
Temperatura
•
Presión
•
Caudal
•
Hornos
•
Nivel de líquidos
•
Tacómetros (Velocidad)
•
Proximidad
1.2. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA En la actualidad en los laboratorios de la Facultad de Ingeniería Electrónica de la Universidad de San Buenaventura, no existe un módulo de equipamiento didáctico
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de sensórica, situación que implica una dificultad para los procesos de enseñanzaaprendizaje en esta temática. Este inconveniente hace que el estudiante no pueda observar toda la parte de adquisición de la señal y su tratamiento) por lo que se debe acudir a
otras
instituciones para apoyar sus prácticas de laboratorio, lo que significa mayor inversión en tiempo de desplazamiento, costos económicos, y en muchas ocasiones sacrificar otros espacios y sesiones de clase.
¿Como solucionar la inexistencia de un módulo de entrenamiento didáctico en la Universidad de San Buenaventura que le facilite a los estudiantes de ingeniería el aprendizaje dentro de las instalaciones de la universidad?
1.3. JUSTIFICACIÓN A medida que pasa el tiempo, se va notando el desarrollo tecnológico y a la vez el desarrollo de la educación, es por ello que es importante ir a la vanguardia, para que permita la promoción de profesionales más competitivos, por lo que se hace necesario crear herramientas que le faciliten el aprendizaje a los estudiantes en el área de la sensórica. El conocimiento y manejo de los sensores es esencial en todo sistema automático y de control, por esto es preciso un estudio adecuado tanto de sus características como de sus aplicaciones que permitan afianzar los conocimientos; desarrollando un método de acompañamiento, para la mejor comprensión de estos elementos. Dados los anteriores conceptos se hace indispensable contar en la Facultad de Ingeniería con equipos de entrenamiento, desarrollados con los estándares de
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calidad requeridos por la Universidad de San Buenaventura, para así afianzar los conocimientos en el campo de la sensórica a través de la experimentación.
1.4. OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1.
OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un módulo de sensórica cuyo fin es observar y analizar el proceso desde la captación de la variable a medir hasta su visualización final ya sea en un display o en un computador, para ser utilizado en los laboratorios de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Buenaventura. 1.4.2. •
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analizar las características de los sensores de temperatura (DS18S20), de presión (MPX5700) y de humedad (HIH3610).
•
Visualizar el monitoreo de la señal por medio de una pantalla de cristal líquido.
•
Realizar el acoplamiento de comunicación del módulo de equipamiento de sensórica con el computador.
•
Programar una interfaz de usuario mediante una aplicación en Visual Basic.
•
Realizar un tutorial didáctico en CD-ROM en lenguaje HTML para la realización de las prácticas en este módulo.
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1.5. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
1.5.1.
ALCANCES
Este proyecto cubre hasta la etapa de implementación del módulo de entrenamiento didáctico en la Universidad de San Buenaventura que cumpla con las especificaciones tanto estéticas como funcionales 1.5.2.
¿A quién beneficia la creación de este módulo?
Directamente a La Universidad de San Buenaventura, ya que la construcción de este sistema dará la pauta para
el desarrollo de las diferentes aplicaciones
tecnológicas, necesarias en el Laboratorio de ingeniería. Por otra parte, ser pioneros en este aspecto, impulsa el buen nombre de nuestra facultad. Específicamente, los principales beneficiados son los docentes y alumnos de las facultades de Ingeniería, pues contarán con una herramienta didáctica para sus prácticas de laboratorio, disponible sin restricciones de tiempo ni lugar.
1.5.3.
Limitaciones
Algunas limitaciones que se tendrían en el desarrollo de este proyecto son: •
De tipo económico: hace referencia a costos de los elementos como son sensores y materiales para la implementación.
•
En el diseño ergonómico y estético del módulo debido al poco conocimiento en la parte de diseño industrial.
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2. MARCO DE REFERENCIA
2.1. MARCO CONCEPTUAL
2.1.1.
¿Qué es un sensor?
Es un transductor capaz de convertir el valor de una magnitud física en una señal eléctrica codificada, ya sea en forma analógica o digital es un convertidor técnico, que transforma una variable, por ejemplo, temperatura distancia, presión; en otra variable mas fácil de evaluar. Un sensor es un dispositivo que detecta, o sensa manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos, como la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc., también, es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR etc., todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos. Algunos de los sensores más utilizados pueden ser: Magnéticos, Movimiento, Caudal, Presión, Posición, Flujo, Temperatura, Humedad, Humo y fuego.
2.1.2.
Sensor de Temperatura DS18S20
El sensor fue producido en principio por DALLAS Semiconductor quien se ha fusionado a Maxim/Dallas Semiconductor. De acuerdo con la especificación de
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datos, el sensor puede medir temperaturas desde -55°C a 127°C. Los datos de las mediciones son generados como una señal digital con un ancho de 9 bits. Además cada sensor posee un número de identificación de 64 bits, permitiendo interconectar a través de un bus varios sensores. Es posible utilizar 100 sensores en un bus de una longitud de 300m. El circuito que estamos presentando aquí funcionará con sólo 10 sensores en un bus de 60m. Actualmente estoy usando 4 sensores en un bus de unos 12m.
2.1.3.
Sensor de Presión MPX5700
El MPX5700 es un transductor piezoeléctrico diseñado para medir presión para rangos de aplicación de 0 a 250 psi, con aplicaciones particulares usadas con microcontroladores y microprocesadores con estradas A/D. Usa dos entradas, una de referencia y otra de captación donde compara los niveles medidos y entrega su respuesta proporcional a la presurización aplicada.
• 2.5% Maximo de Error por debajo de 0° a 85°C • Ideal para aplicaciones con microprocesadores y microcontroladores
2.1.4.
Sensor de Humedad HIH3610
La División de Sensores de Control de Honeywell ha presentado el sensor de humedad de la serie HIH-3610, que proporciona una medición de la humedad relativa rápida y de calidad en un SIP soldado (simple). La estructura de múltiples capas, químicamente resistente, proporciona una larga vida al producto en ambientes extremos.
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Gracias a la salida lineal en tensión del sensor es posible que se pueda conectar directamente a un controlador o a otro dispositivo. Con un consumo de corriente de sólo 200 µA, a 5Vdc, el sensor HIH-3610 se adapta perfectamente en sistemas operados por batería de bajo consumo. La intercambiabilidad hermética del sensor reduce o elimina los costes de la calibración en la producción OEM. Direct input to a controller or other device is made possible by the sensor's linear voltage output. With a typical current draw of only 200 µA, at 5Vdc the HIH-3610 sensor is ideally suited for low-drain, battery-operated systems. Tight sensor interchangeability reduces or eliminates OEM production calibration costs.
Las aplicaciones típicas incluyen estaciones meteorológicas, cámaras de ensayo medioambiental, detección de pérdidas de humedad, equipos de instrumentación y ensayo, HVAC, dispositivos médicos, registradores, controles industriales y equipamiento de oficinas.
2.1.5.
¿Qué es un módulo?
Un módulo es un componente autocontrolado de un sistema, el cual posee una interfaz bien definida hacia otros componentes; algo es modular si es construido de manera tal que se facilite su ensamblaje, acomodamiento flexible y reparación de sus componentes. Un módulo es una unidad compacta con unas funciones definidas. Suele unirse al circuito por medio de uno o mas conectores de alimentación, sensores, alarmas, comandos etc., en su parte posterior y en algunos casos con transito de señal por el frontal donde se ubican leds de señalización.
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2.1.6.
¿Qué es una interfaz?
Una interfaz es la parte de un programa informático que permite a éste comunicarse con el usuario o con otras aplicaciones permitiendo el flujo de información; visto de otra forma es juego de conexiones a un dispositivo con una función definida o método por el cual un usuario interactúa y se comunica con un computador, sea local o remoto, para interactuar con un dispositivo específico para que los datos se puedan intercambiar.
2.1.7.
Partes por millón (PPM)
Expresión del contenido de vapor de agua por fracción de volumen (PPMv) o, si es multiplicado por la relación entre el peso molecular del agua y el aire como PPMw. Este parámetro es más dificultoso de conceptuar, porque está fuera del alcance del cuerpo humano detectar los cambios de esta magnitud en la atmósfera. Este término y los asociados como pueden ser: PPM u otros como la relación de mezcla, el porcentaje de volumen y la humedad específica, se utilizan cuando el vapor se convierte en una impureza o un componente definido en una mezcla de gases que participa de un proceso industrial. Un ejemplo práctico de su aplicación son los gases de uso medicinal, como pueden ser el óxido nitroso, dióxido de carbono y oxígeno cuando son utilizados en operaciones quirúrgicas que deben tener un contenido de humedad menor a 60ppm.
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2.2. MARCO LEGAL O NORMATIVO
2.2.1.
Normas o estándares de los sensores:
Un nuevo estándar para sensores, propuesto por IEEE 1451.4, reduce el tiempo y el reto asociado con la configuración de sensores. El estándar establece un método universalmente aceptado para desarrollar sensores, de manera similar a un mouse USB el cual es plug-and-play con una computadora. IEEE 1451.4 define un mecanismo para agregar comportamientos auto descriptivos con una interfase de señal análoga. Ésta interfase de modo mixto combina la señal análoga del sensor tradicional con una conexión digital serial de bajo costo para accesar la hoja de datos electrónica del transductor (TEDS) incluida en el sensor. Para extender los beneficios de los sensores Plug&Play a sensores análogos tradicionales, los TEDS Virtuales proporcionan la misma hoja de datos electrónica del transductor en un archivo de formato electrónico. Con TEDS, el sensor se identifica y describe asimismo al sistema de adquisición de datos al cual esta conectado. La inclusión de capacidades plug-and-play a sensores análogos entrega beneficios reales a usuarios y desarrolladores: inicialización más rápida, diagnósticos mejorados , reducción de tiempo muerto por reparación y reemplazo de sensores, administración de activos mejorada, uso automático de calibración.
Estándar IEEE 1451
El Estándar de Interfase de Modo Mixto IEEE 1451.4 para Transductores Pequeños define un mecanismo para agregar tecnología de auto identificación a sensores y actuadores tradicionales de modo-análogo. Desarrollado en conjunto por manufactureros de sensores, proveedores de instrumentación y software, y
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usuarios; IEEE 1451.4 define el concepto de transductores de modo-mixto que proporciona tanto interfases análogas como digitales. La interfase eléctrica análoga proporciona una señal que refleja los fenómenos físicos (como la temperatura, presión y fuerza) de una manera tradicional.
El sensor inteligente TEDS de IEEE 1451.4, sin embargo, también proporciona una interfase digital para comunicarse con un dispositivo integrado en el transductor. Esta memoria contiene la información binaria TEDS que identifica y describe al sensor y actuador. El TEDS contiene información como el fabricante, número de modelo del sensor, número de serie, rango de medición, sensitividad, e información de calibración.3 2.3. MARCO TEÓRICO
Los sensores son en realidad unos elementos físicos que pertenecen a un tipo de dispositivo llamado transductor. Los transductores son unos elementos capaces de transformar una variable física en otra diferente. Los sensores son un tipo concreto de transductores que se caracterizan porque son usados para medir la variable transformada. La magnitud física que suele ser empleada por los sensores, como resultado suele ser la tensión eléctrica, debido a la facilidad del trabajo con ella. Desde el punto de vista de la forma de la variable de salida, podemos clasificar los sensores en dos grupos: analógicos, en los que la señal de salida es una señal continua, analógica; y digitales, que transforman la variable medida en una señal digital, a modo de pulsos o bits. En la actualidad los sensores más empleados son
3
http://digital.ni.com/worldwide/latam.nsf/web/all/A0E41EEBC7481F1086256EA70050A50F
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los digitales, debido sobre todo a la compatibilidad de su uso con los computadores.4 Gráfica No1 Sensores
Fuente: http/: www.monografias.com/sensores.htm
En todo sistema complejo de producción que contemple el involucramiento creciente de la automatización, se requiere de componentes que sean capaces de adquirir y transmitir información relacionada con el proceso de forma oportuna y precisa, es esta la función de los sensores en el área de medición y control.
A los sensores, se les debe exigir una serie de características, que se mencionarán a continuación : •
Exactitud. Hace referencia a que se debe poder detectar el valor verdadero de la variable sin errores sistemáticos. Sobre varias mediciones, la media de los errores cometidos debe tender a cero.
•
Precisión. Una medida será más precisa que otra si los posibles errores aleatorios en la medición son menores. Debemos procurar la máxima precisión posible.
4
www.monografias.com/sensores.htm
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•
Rango de funcionamiento. El sensor debe tener un amplio rango de funcionamiento, es decir, debe ser capaz de medir de manera exacta y precisa una amplia cantidad de valores de la magnitud correspondiente.
•
Velocidad de respuesta. El sensor debe responder a los cambios de la variable a medir en un tiempo mínimo. Lo ideal sería que la respuesta fuera instantánea.
•
Calibración. La calibración es el proceso mediante el que se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida que produce el sensor. La calibración debe poder realizarse de manera sencilla y además el sensor no debe precisar una recalibración frecuente.
•
Fiabilidad. El sensor debe ser fiable, es decir, no debe estar sujeto a fallos inesperados durante su funcionamiento.
•
Costo. El costo para comprar, instalar y manejar el sensor debe ser lo más bajo posible.
•
Facilidad de funcionamiento. Sería ideal que la instalación y uso del sensor no necesitara de un aprendizaje en profundidad.
Todas estas características son las deseables en los sensores. Sin embargo, en la mayoría de los casos lo que se procurará será un compromiso entre su cumplimiento y el costo que ello suponga a la hora del diseño y fabricación. Se puede clasificar a los sensores por la variable que miden (presión, posición, temperatura), por el principio físico en el que se basa su funcionamiento (efecto hall), por la tecnología en la que se basan (silicio, eléctro-mecánica), la relación entre el sensor y la característica a medir (contacto, sin contacto), etc.
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Los sensores son elementos fundamentales en todo sistema automático y, como tal, precisan de un estudio adecuado tanto de sus características como de sus aplicaciones. Partiendo de este enfoque, el equipamiento didáctico de Sensórica creado por HRE permite el estudio de una gama muy amplia de sensores todo-nada, analógicos y digitales, de última generación, considerando las más diversas aplicaciones prácticas. Se ha diseñado teniendo en cuenta las particularidades de los diferentes Ciclos Formativos y permitiendo un aprendizaje claro y práctico, pero al mismo tiempo rápido y conciso. Todas las prácticas de este equipamiento están enfocadas hacia aplicaciones industriales, como detecciones de presencia de piezas, identificación de acuerdo con su forma, material y color, control de velocidad y posición lineal y angular , control y mediciones de temperatura en plantas reales, medición de presión y fuerza en circuitos neumáticos, etc. El equipo consta además de sistemas de apoyo, tales como pantalla táctil para visualización, medición de señales analógicas y digitales, conversión y linealización (tratamiento de señales), controlador de velocidad y sentido de giro del motor, etc. Está prevista la utilización de una salida para comunicación con PC y posibilitar el tratamiento externo de la información. Se presenta en una maleta portátil, robusta, fácil de guardar y con todos los componentes ordenados en su interior. Todas las conexiones están disponibles por medio de bornes normalizados de fácil conexión.
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El conjunto es abierto y está diseñado de tal modo que permite la integración posterior de otros sensores y elementos de manera fácil y sencilla. Las prácticas se pueden realizar en cualquier lugar y de manera rápida gracias al sistema de amarre en perfil ranurado de aluminio, donde se insertan los componentes con precisión, rapidez y facilidad. Los sensores desempeñan un papel fundamental en la robótica, ya que a partir de las informaciones captadas por ellos, el robot actúa en consecuencia. Para ello, convierte una magnitud física en una señal eléctrica codificada, que puede ser analógica o digital. 5 2.3.1. SENSORES UTILIZADOS •
SENSORES DE HUMEDAD
• o Precisión en la medición de la humedad: Los fabricantes y laboratorios de calibración buscan determinar la calidad del desempeño de los dispositivos para la medición de humedad, esto es, que tanto las especificaciones y como los datos de calibración reflejen
la
operación
real
de
los
sensores.
Podemos definir la precisión de un sensor como la desviación con respecto a un patrón de laboratorio. Esta característica es afectada por los siguientes factores:
Temperatura y humedad a la que fue calibrado el sensor
Dependencia de la calibración con la humedad y la temperatura, muchos
sensores son no-lineales y casi todos
varían con la temperatura 5
www.monografias.com/sensores.htm
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Como afecta al sensor el envejecimiento y la velocidad de envejecimiento
Que tan sensitivo es el sensor a los contaminantes
Que precisión tiene el estándar usado para construir el sensor y su certificación
A causa de estas variaciones es de notar que una declaración de una precisión ±1% es poco representativa del desempeño efectivo en el ámbito de operación del sensor. Por ejemplo un sensor con una precisión especificada de fábrica del ±1% podría, después de operar durante 6 meses, caer hasta una precisión de ±6% mientras que otro sensor con una precisión de fábrica de ±2% podría, luego de operar 6 meses en la misma aplicación, tener una precisión del ±2%. o Parámetros típicos para determinar la humedad
Medición de la humedad relativa (RH): La medición de la humedad relativa consiste en la relación entre la presión parcial del vapor de agua en el gas de que se trate y la presión de saturación del vapor, a una temperatura dada. Por lo tanto la humedad relativa es función de la temperatura. La medición es expresada como un porcentaje. La humedad relativa
es
un
parámetro
utilizado
principalmente
en
aplicaciones ambientales (ej. acondicionamiento de aire) o mediciones meteorológicas ya que impacta directamente en el confort humano. Cuando los niveles de humedad relativa son bajos puede producirse electricidad estática que dañe al equipamiento electrónico.
Medición del punto de rocío/escarcha (D/F PT): El punto de rocío es la temperatura, por sobre los 0° grados, al cual el 31
vapor de agua presente en el gas condensa. El punto de escarcha es la temperatura, por debajo de 0° grados, a l a cual el vapor se cristaliza en hielo. El punto D/F PT es función de la presión del gas pero independiente de su temperatura, y por lo tanto se lo considera una magnitud fundamental. Los puntos de rocío y escarcha son utilizados cuando la sequedad de un gas es relevante, esto es en procesos en los que debe evitarse la condensación de el vapor de agua a bajas temperaturas. El punto de rocío se usa también como un indicador del contenido de vapor de agua en procesos de alta temperatura como el secado industrial. 2.3.2. Consideración de los distintos tipos de sensor y sus aplicaciones No existe una tecnología de medición que sea apropiada para todas las aplicaciones.
Algunas
de
las
tecnologías
típicamente
usadas
son:
técnicas para la medición de humedad relativa. Las mediciones de humedad relativa puede ser hecha por sensores basados en: psicometría, desplazamiento, resistivos, capacitivos y por absorción de líquido. Algunos de los cuales describimos. 2.3.3. Psicometría De acuerdo con expertos se entiende que la psicometría desde hace tiempo es uno de los métodos más populares para el monitoreo de la humedad debido a su simplicidad e inherente bajo costo. Un psicometro industrial típico consiste de un par de termómetros eléctricos acoplados, uno de los cuales opera en estado húmedo. Cuando el dispositivo funciona la evaporación del agua enfría el termómetro humedecido, resultando una diferencia medible con la temperatura
32
ambiente o la temperatura del bulbo seco. Cuando el bulbo húmedo alcanza su máxima caída de temperatura la humedad puede determinarse comparando la temperatura de los dos termómetros en una tabla psicométrica. El psicómetro provee una alta precisión en las proximidades del punto de saturación (100% RH) y es fácil de operar y reparar, por otra parte a baja humedad relativa (menos del 20%) el desempeño es pobre y el mantenimiento debe intensificarse. No puede utilizarse a temperaturas menores de 0° y, siendo el propio psicómetro una fuente de humedad, no pude utilizarse tampoco en ambientes pequeños o cerrados. Los psicómetros son utilizados típicamente para control ambiental en recintos. Gráfica No 2 Psicómetro
http://www.salavirtual.com/trabajos10/humed/humed.shtml
2.3.4. Sensores por desplazamiento Es quizás el tipo de sensor más antiguo y de uso común, utiliza un mecanismo para medir la expansión o contracción de un cierto material que es proporcional a los cambios en el nivel de humedad relativa. Los materiales más comunes el nylon
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y la celulosa. Las ventajas de este tipo de sensor son el bajo costo de fabricación y es altamente inmune a la contaminación. Las desventajas son la tendencia a la descalibración en el tiempo y los efectos de histéresis significativos. Están compuestos de un sustrato cerámico aislante sobre el cual se deposita una grilla de electrodos. Estos electrodos se cubren con una sal sensible a la humedad embebida en una resina (polímero). La resina se recubre entonces con una capa protectiva permeable al vapor de agua. A medida que la humedad de la capa de protección, el polímero resulta ionizado y estos iones se movilizan dentro de la resina. Cuando los electrodos son excitados por una corriente alterna, la impedancia del sensor se mide y es usada para calcular el porcentaje de humedad relativa. Por su misma estructura este tipo de sensores son relativamente inmunes a la contaminación superficial ya que no afecta su precisión aunque si el tiempo de respuesta. Debido a los valores extremadamente altos de resistencia del sensor a niveles de humedad menores que 20% es apropiado para los rangos altos de humedad. 2.3.5. Sensores Capacitivos Los
sensores
capacitivos
(polímero
orgánico
capacitivos
es
diseñados
normalmente con platos paralelos con electrodos porosos o con filamentos entrelazados en el sustrato. El material dieléctrico absorbe o elimina vapor de agua del ambiente con los cambios del nivel de humedad. Los cambios resultantes en la constante dieléctrica causa una variación en el valor de la capacidad del dispositivo por lo que resulta una impedancia que varía con la humedad. Un cambio en la constante dieléctrica de aproximadamente el 30% corresponde a una variación de 0-100% en la humedad relativa.
34
El material sensor es muy delgado para alcanzar grandes cambios en la señal con la humedad. Esto permite a el vapor de agua entrar y salir fácilmente y el secado rápido para la sencilla calibración del sensor. Este tipo de sensor es especialmente apropiado para ambiente de alta temperatura porque el coeficiente de temperatura es bajo y el polímero dieléctrico puede soportar altas temperaturas. Los sensores capacitivos son también apropiados para aplicaciones que requieran un alto grado de sensibilidad a niveles bajos de humedad, donde proveen una respuesta relativamente rápida. A valores de humedad superiores al 85% sin embargo el sensor tiene una tendencia a saturar y se transforma en no lineal.6 2.3.6. Efectos de la temperatura y la humedad La salida de todos los sensores de humedad por absorción (capacitivos, resistivos, de film resistivo etc.), se ven afectados sensiblemente por la temperatura y la humedad relativa. A causa de ésto se utilizan mecanismos de compensación de temperatura en aplicaciones que demanden alto nivel de precisión o un amplio rango de temperaturas. Cuando se compensa la temperatura de un sensor lo mejor es hacer la medición de temperatura tan cerca como sea posible de área activa del sensor, en el mismo micro-ambiente. Esto es especialmente verdad cuando se combina la medición de RH
y
temperatura
para
derivar
el
punto
de
rocío.
Los instrumentos de tipo industrial para medir humedad y punto de rocío incorporan una resistencia de platino (RTD) en la parte posterior del sustrato del sensor para la integridad de la compensación de la diferencia de temperaturas.
6
www.x-robotics.com/sensores.htm
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Gráfica No 3 Resistencia de Platino
http://www.ciudadelectronica.com/sensores.php
Las aplicaciones típicas para los polímeros resistivos y capacitivos son •
HVAC administración de energía
•
Control de salas de computadora/ambientes limpios
•
Instrumentos portátiles
•
Monitoreo ambiental y meteorológico
Humedad relativa calculada con el punto de rocío y la temperatura. Un transmisor óptico de punto de rocío con el agregado de medición de temperatura podría utilizarse para obtener un valor de humedad relativa de alta precisión. Este sería un costoso método para derivar un valor de una medición primaria. Dispositivos
usados
para
medición
del
punto
de
rocío/escarcha
Los sensores de sal saturada de cloruro de litio, óxido de aluminio y de espejo óptico enfriado son utilizados para la medición directa del D/F PT. Estos sensores proveen un amplio rango de medición en términos del punto de rocío o escarcha.
36
2.3.7. Sensor de sal saturada de cloruro de litio El sensor de sal saturada de cloruro de litio ha sido uno de los sensores de punto de rocío más ampliamente usados. Su popularidad es resultado de su simplicidad, bajo costo, durabilidad, y el hecho de que provee una medición fundamental. El sensor consiste de una bobina recubierta con una tela absorbente y un arrollamiento de electrodos bifilares inertes. La bobina es revestida con una solución diluida de cloruro de litio. Un corriente alterna se hace pasar por el arrollamiento y la solución salina causando calentamiento por efecto joule. A medida que la bobina eleva su temperatura el agua de la sal se evapora a una tasa que es controlada por la presión de vapor de agua en el aire circundante. Cuando la bobina comienza a secarse, la resistencia de la solución salina se incrementa produciendo una disminución de la corriente que enfría la bobina. Este efecto de calentamiento y enfriamiento continúa hasta alcanzar un punto de equilibrio en el que no hay intercambio de agua con el ambiente. La temperatura de equilibrio es directamente proporcional a la presión de vapor de agua o el punto de rocío del aire circundante. Este valor es medido utilizando un termómetro de resistencia de platino (PRT). Gráfica No 4 Sensor de Sal Saturada
http://www.ciudadelectronica.com/sensores.php
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Si el sensor de sal saturada se contamina puede fácilmente hacerse una recarga de cloruro de litio. Las limitaciones de esta tecnología están dados por los tiempos de repuesta y el límite inferior del rango de medición impuesto por la naturaleza del cloruro de litio. El sensor no puede usarse para medir puntos de rocío cuando la presión de vapor de agua cae por debajo de la presión de saturación de vapor del cloruro de litio que ocurre cerca del 11% de humedad relativa. Los sensores de sal saturada resultan atractivos cuando es bajo el costo, y la resistencia ambiental, funciona sin variantes de tiempo de respuesta y la precisión moderada requerida. Las aplicaciones típicas de estos sensores son: •
Controles de refrigeración
•
Secadores
•
Dehumificadores
•
Monitoreo de líneas se suministro de aire
•
Equipos envasadores de píldoras
Para aplicaciones que requieren una gran precisión y un amplio rango de mediciones se deben considerar sensores del tipo electrolítico de condensación y a base de óxidos. 2.3.8. Sensores de punto de rocío de óxido de aluminio. Los instrumentos de óxido de aluminio y sus derivados, tales como los sensores basados en cerámicos o silicio, son dispositivos que de forma indirecta infieren el valor del punto de rocío por la variación de su valor de capacidad que es afectada por la humedad ambiente. Están disponibles en una variedad de tipos, desde sistemas de bajo costo portátiles operados a batería, hasta sistemas multi-punto
38
basados en microprocesador con la capacidad de calcular la información de la humedad en diferentes parámetros. Un sensor de óxido de aluminio típico es un capacitor, formado por la deposición de una capa de óxido de aluminio poroso sobre un sustrato conductor que se reviste con una delgada lámina de oro. La base conductora y la lámina de oro forman los electrodos del capacitor. El vapor de agua penetra la lámina de oro y es absorbida por el óxido poroso. La cantidad de moléculas de agua absorbidas determina la impedancia eléctrica del capacitor que a su vez resulta proporcional a la presión de vapor de agua.7 Los sensores de óxido son de reducido tamaño. Son apropiados para medir bajos puntos de rocío (-100°?) y pueden operar sobre un ampli o rango que abarca las aplicaciones de alta presión. Pueden utilizarse también para medir la humedad en líquidos y, debido al bajo consumo de potencia, son apropiados para instalaciones intrínsecamente seguras y a prueba de explosiones.8 Los sensores a base de óxido se usan frecuentemente en la industria petroquímica y de generación de potencia donde los puntos de rocío bajos deben monitorearse en línea con arreglos de múltiples sensores económicos. La principal desventaja asociada a estos sensores es que son dispositivos de medición secundaria y deben ser recalibrados frecuentemente para corregir los efectos de envejecimiento, histéresis y contaminación. 2.3.9. Higrómetro óptico de condensación El higrómetro óptico es considerado el método más preciso para la medición del punto de rocío. Esta es una medición primaria, que mide, como su nombre indica, 7 8
http://www.ciudadelectronica.com/sensores.php www.x-robotics.com/sensores.htm
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el punto efectivo de condensación del gas ambiente y para el que se pueden con facilidad establecer estándares internacionales de calibración. El sensor contiene un pequeño espejo metálico cuya superficie es enfriada hasta que el agua de la muestra de gas condense. El espejo es iluminado por un fuente de luz y su reflexión es detectada por un fototransistor. Cuando la condensación ocurre la luz reflejada sufre una dispersión y por lo tanto disminuye la intensidad captada por el detector. Un sistema de control se encarga de mantener la temperatura de espejo en el punto necesario para mantener una delgada capa de condensación. Un PRT embebido en el espejo mide su temperatura y por lo tanto la temperatura de punto de rocío. Con el higrómetro óptico son posibles precisiones de +/- 0.2°. Ciertos equipos especiales pueden tener un rango completo desde -85° hast a casi 100° de punto de rocío. Los tiempos de respuesta son rápidos y la operación está relativamente libre de problemas de pérdida de calibración. Las aplicaciones típicas de los higrómetros ópticos de condensación son: •
Líneas de aire medicinal
•
Equipo electrónico refrigerado con líquido
•
Computadoras refrigeradas
•
Hornos de tratamiento térmico
•
Hornos de fundición
•
Control ambiental de recintos
•
Secadores
•
Estándares de calibración de humedad
Para medir el vapor de agua en las regiones de bajo PPM se utilizan sensores electrolíticos, piezo-resonadores y ópticos. Cuando se hacen mediciones en este
40
rango y utilizando el método de toma de muestras, en oposición a las técnicas de medición in-situ, ya que veces las condiciones del proceso, alta temperatura, presión, gases corrosivos etc., y/o cuando el tipo de tecnología del sensor utilizada imposibilita las mediciones in-situ, es vital asegurarse que los recintos para medición son herméticos, construidos con materiales no higroscópicos (por ejemplo acero inoxidable) y cuando se inicia la medición, se debe permitir un tiempo adecuado para que el sistema se equilibre y seque.9 2.3.10. Higrómetro electrolítico El higrómetro electrolítico normalmente se utiliza para la medición de gases secos ya que provee una performance confiable para largos períodos en el rango de bajos valores de PPM. Los sensores electrolíticos típicamente requieren que el gas medido esté limpio y no debería reaccionar con la solución de ácido fosfórico, aunque desarrollos recientes en la tecnología de sensores de celda y los sistemas de acondicionamiento de muestras permiten aplicaciones más hostiles, como pueden ser la medición de humedad en cloruro. Los sensores electrolíticos utilizan una celda revestida con una delgada capa de pentóxido fosforoso (P2O5), que absorbe agua del gas bajo medición. Cuando una corriente eléctrica se aplica a los electrodos, el vapor de agua absorbido por el P2O5 se disocia en moléculas de hidrógeno y oxígeno. La cantidad de corriente requerida para disociar el agua es proporcional a el número de moléculas de agua presentes en la muestra. Este valor junto con el caudal y la temperatura se usan para determinar la concentración de las partes por millón por volumen (PPMv) del vapor de agua. El sensor electrolítico se utiliza en aplicaciones secas de hasta un máximo de 1000 PPMv y es apropiado para el uso en procesos industriales tales como gases ultra-puros, química fina, y producción de circuitos integrados, etc. En 9
www.x-robotics.com/sensores.htm
41
cada uno de estos casos el éxito de estos procesos industriales depende del mantenimiento de condiciones inertes. Ésto significa que un suministro continuo de nitrógeno o argón se debe usar para purgar el ambiente de producción. Así como el mantenimiento de la pureza del gas, el contenido de vapor de agua debería mantenerse muy bajo ya que estas son las condiciones para las que el higrómetro electrolítico trabaja apropiadamente. Aplicaciones típicas de este sensor •
Generadores de ozono
•
Líneas de aire seco
•
Sistemas de transferencia de nitrógeno
•
Soldadura con gas inerte
En resumen, el higrómetro electrolítico suministra una medición primaria y confiable a bajos niveles de humedad, pero la precisión del dispositivo depende del mantenimiento del un flujo de muestras controlado. Las aplicaciones deben seleccionarse cuidadosamente ya que ciertos gases podrían corroer y/o contaminar el sensor. 2.3.11. Sensor Piezo-resonante El sensor piezo-resonante opera con el principio de equilibrio de RH donde la absorción de agua incrementa la masa de cristal lo que afecta directamente su frecuencia de resonancia. El sensor tiene un revestimiento sensible a la humedad ubicado sobre la superficie del cristal resonante. La frecuencia de resonancia del cristal cambia a medida que el revestimiento sensitivo a la humedad absorba o elimine vapor de agua en respuesta a los cambios en los niveles de humedad ambiente. Esta frecuencia de 42
resonancia es comparada con mediciones similares en el gas seco o a al frecuencia de referencia a la que ha sido calibrado. Gráfica No 5 Sensor Piezo-resonante
http://www.zonalones.es/sensores.php
Higrómetro óptico por condensación con capacidad máxima de enfriamiento Como se dijo previamente se dijo en la sección sobre la medición del punto de rocío/escarcha, un higrómetro óptico de condensación con múltiples niveles de enfriamiento, suplantando en algunos casos con enfriamiento adicional por aire o glicol/agua, puede alcanzar mediciones del punto de rocío a niveles menores de 85°, lo que implica contenidos de agua de 0.25 PPMv a 1 atmósfera de presión. 2.3.12. Estándares de calibración Un sistema o dispositivo utilizado para establecer un estándar es aquel con la capacidad de producir un caudal de gas de humedad conocida con referencia a las variables fundamentales (temperatura, presión y masa) o que puede medir la humedad
en
el
gas
en
base
al
juego
de
variables
fundamentales.
Los estándares utilizados para calibrar los instrumentos de humedad se agrupan en tres categorías
43
•
Estándares primarios: El estándar fundamental usado por los laboratorios nacionales se basa en el denominado higrómetro gravimétrico. El método de medición consiste en pesar una cierta cantidad de gas seco y hacer la comparación con el peso del mismo volumen del gas que se quiere evaluar. De esta forma se determina la cantidad de agua y se calcula la presión de vapor. Estos instrumentos son utilizados como patrones para calibrar otros instrumentos algo menos precisos pero aptos para calibraciones rápidas y sencillas, estos instrumentos pueden ser higrómetros ópticos o psicómetros especiales. Con algo menos de precisión los generadores de doble-presión y los generadores de doble-temperatura y otros sistemas son normalmente utilizados como referencias primarias.
•
Estándares de transferencia: Los instrumentos de esta categoría operan según lo principios fundamentales y proveen resultados estables y repetibles, pero si no se utilizan apropiadamente pueden dar resultados erróneos. Los más comunes son: o Higrómetro óptico o Higrómetro electrolítico o Psicómetro
•
Dispositivos
secundarios:
Estos
dispositivos
no
miden
parámetros
fundamentales y deben calibrarse contra estándares de transferencia o fundamentales.
La
precisión
de
estos
instrumentos
depende
de
recalibraciones frecuentes. Estos sistemas raramente se utilizan en laboratorios de calibración pero tienen muchas aplicaciones en la industria. Ejemplos de este tipo de dispositivos son el higrómetro resistivo y los sensores de RH a base de película de polímero, que son similares a los resistivos. Todos estos dispositivos con el paso de los años han tenido
44
mejoras
de
costo/beneficio.
importancia
brindando
una
muy
buena
relación
10
2.3.13. Sensores de temperatura En la actualidad hay muchas formas de medir la temperatura con todo tipo de sensores de diversas naturalezas. La ingeniería de control de procesos ha inventado, perfeccionado e innovado a la hora de disponer de sensores que les ayuden a controlar los cambios de temperatura en procesos industriales. La siguiente tabla podría dar una muestra de la gran variedad de dispositivos capaces de medir la temperatura: o Termocuplas Las termocuplas son los sensores de temperatura eléctricos más utilizados en la industria. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo, al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño, del orden de los milivoltios el cual aumenta con la temperatura. Este sería un esquema de ejemplo de una termocupla cualquiera. Gráfica No 6 Termocupla
http://server-die.alc.upv.es/asignaturas/LSED/2003%2D04/0.Sens
10
www.zonalones.es/sensores.php
45
o Los Termistores
Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar. Se los puede adosar fácilmente o montar con tornillos, ir roscados en superficies o cementados. Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio, plástico, bronce u otros materiales.
o Termómetros Infrarrojos
Los termómetros Infrarrojos pueden medir la temperatura de un objeto sin tocarlo. Hay muchos casos en los que la medida de temperatura sin contacto es crítica: cuando el objeto medido es pequeño, movible o inaccesible; para procesos dinámicos que requieren respuesta rápida; o para temperaturas >1000°C La mayoría de los termómetros más conocidos debe ponerse en contacto directo con la fuente de temperatura, y tiene un rango útil de -100 °C a 1500°C. En contraste, los termómetros infrarrojos determinan la temperatura de la superficie de un objeto interceptando y midiendo la radiación infrarroja emitida. El rango típico de temperatura para estos termómetros es -50°C a 3000°C de un sitio remoto. Las distancias de trabajo pueden variar desde una fracción de centímetro a varios kilómetros en aplicaciones aerotransportadas.
46
o Termorresistencia
La termoresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura. Tienen elementos sensitivos basados en conductores metálicos, que cambian su resistencia eléctrica en función de la temperatura. Este cambio en resistencia. Se puede medir con un circuito eléctrico, que consiste de un elemento sensitivo, una fuente de tensión auxiliar y un instrumento de medida.
2.3.14. Sensores externos •
TÁCTILES •
De contacto
•
Analógicos e individuales
•
Matriciales
•
Ópticos
•
Resistivos
•
DE PROXIMIDAD
•
VISUALES
•
•
Exploración visual
•
Cámaras de TV
Sensores táctiles: Estos sensores proporcionan una cierta percepción del
tacto al robot. Algunos de los sensores táctiles son: •
Sensores de contacto: Básicamente, consisten en un interruptor con dos posiciones, que según donde se sitúe, proporciona
47
mayor o menor información. Por ejemplo, situado en el brazo, sólo da seguridad en relación con los obstáculos, mientras que, en la pinza puede dar información más estratégica. •
Sensores analógicos e individuales: Estos sensores son un sistema
de
tecnología
variable,
que
poseen
una
salida
proporcional a un esfuerzo local. Pueden ser utilizados para detectar posiciones o fuerzas, al igual que los anteriores, su función varía según su posición en el robot. •
Sensores matriciales: Están formados por varios sensores de los tipos anteriores, combinados en forma de matriz. Une la información individual de todos los sensores, para obtener datos más complejos sobre el entorno del robot (reconocimiento de formas).
•
Sensores ópticos: Tienen la misma disposición que los sensores
matriciales,
optoelectrónicos.
Estos
pero
formados
elementos
constan
por de
elementos un
diodo
fotoemisor, que envía una señal, y uno fototransistor, que envía la información según reciba, o no, la señal. A partir de la información de todos los fototransistores se reconocen las formas del entorno. En este tipo de sensores se utilizan rayos infrarrojos, para evitar los problemas provocados por los cambios de iluminación externa. •
Sensores resistivos: Son sensores táctiles, que actúan por presión, formando una piel artificial. Esta piel artificial consiste en una matrÍz de electrodos en contacto con una superficie resistiva, formada por caucho y cargas de grafito, o polvo metálico. La resistencia de esta superficie varía según la presión. En función de la presión medida en cada punto se envía una señal
48
analógica, con la que se obtienen el perfil o características del relieve de la superficie del objeto. •
Sensores de proximidad: Los sensores de proximidad o presencia transmiten una señal lógica en presencia de cierto tipo de objetos, detectando cuerpos u obstáculos. Cualquiera de los tipos anteriores utilizados individualmente, pueden formar estos sensores y además de estos, los sensores acústicos cuyo funcionamiento es igual a los fotoeléctricos, aunque utilizando ondas sonoras (ultrasonidos), por lo que no pueden precisar la posición de los objetos, sino determinar su presencia.
•
Sensores visuales: Exploran el entorno de trabajo a distancia. Algunos de estos sistemas de visión son: exploración lineal, cámaras de TV, entre otros. o Sistemas de exploración lineal: Están formados por un conjunto de fotodiodos o fototransistores en disposición lineal sobre un plano de visión, que exploran por desplazamiento, obteniendo una señal de vídeo, línea a línea, mediante sistemas de iluminación especiales. Por ejemplo, la proyección de una franja luminosa sobre la línea de visión del sensor. o Cámaras de TV: Hay diversos tipos de cámaras, un tipo simple consiste en un tubo de rayos catódicos, sobre el que se proyecta la imagen. La parte sensitiva del tubo, que recibe la imagen está cubierta por una sustancia fotosensible. Esta parte está formada por píxeles ordenados en filas por toda la pantalla, que según el grado de iluminación que captan, forman los puntos componen la imagen.
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La sensación de movimiento se obtiene gracias a la frecuencia con que se refrescan los píxeles. Se transmite en un tren de impulsos, con los que se obtiene el código de un píxel. Para obtener la información de la pantalla se precisan tantos impulsos, como número de píxeles. 2.3.15. Sensores internos Los sensores internos aportan información sobre el propio robot acerca de su movimiento, posición, velocidad aceleración y fuerza. •
MOVIMENTO Y POSICIÓN •
•
Movimiento rectilíneo
Potenciómetros
Transformadores variables
Rotación
•
•
Digitales
Incrementales
Absolutos
Analógicos
Sincros
Resolvers
VELOCIDAD •
Analógicos
•
Digitales
ACELERACIÓN 50
•
FUERZA
•
Sensores de movimiento y posición: Existen dos tipos de movimientos: rectilíneos o translaciones, y angulares o rotacionales. o Sensores de movimiento rectilíneo: Se puede dividir este tipo de sensores en potenciométricos y variables o transformadores diferenciales. o Sensores potenciométricos: Dividen el voltaje en función del movimiento rectilíneo de un cursor conectado a la articulación del robot permitiendo así, obtener su posición. o Transformadores variables o diferenciales: Están formados por una bobina principal y dos secundarias idénticas, acopladas magnéticamente al primero, mediante un núcleo móvil, que se desplaza de uno a otro.
•
Sensores de movimiento de rotación o Digitales
Encoders ópticos: Son unos dispositivos formados por un rotor, con uno o varios grupos de bandas opacas y translúcidas, que gracias a unos captadores ópticos, detectan, o no, la presencia de banda opaca. Hay dos tipos diferentes de encoders:
Los incrementales, suelen tener una sola banda de marcas opacas y transparentes, distribuidas a lo largo del disco rotor y separadas por un paso.
Los absolutos, que suministran directamente el código, disponen de varias pistas concéntricas, con zonas opacas y transparentes, dispuestas, de tal forma, que
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en sentido radial, el rotor queda dividido en sectores, siguiendo un código Gray, que se transcodifica fácilmente en binario. o
Analógicos
Sincros: Se trata de un transductor de posición angular, de tipo electromagnético, que tiene uno de sus devanados rotativo. Las formas de configuración más normales de los sincros son con el primario en el rotor y monofásico, y el segundo en el estator y con tres devanados situados a 120º, uno de otro, y con tres voltajes, que modulados determinan su ángulo. Para determinar la posición de los devanados secundarios, se aplica tensión al primario y según la posición del rotor, variará el valor de amplitud y fase de éstos. Se pueden utilizar para copiadoras, pilotos automáticos o servos de seguimiento con una configuración llamada 'maestroesclavo' o 'emisor-receptor'. Ésta configuración funciona de la siguiente manera: el rotor alimenta al sincro emisor, lo que hará que se genere una tensión trifásica. Este sistema de tensión trifásico alimenta al devanado secundario del sincro receptor y crea una tensión, que dependerá de la desviación angular relativa entre los dos rotores, y que con un sistema regulador de posición se pondrá a cero. Con esto, el sincro esclavo seguirá los mismos movimientos que el maestro.
Resolvers: Está formado por un devanado primario en el estator y bifásico, y otro secundario en el rotor, que puede ser monofásico o bifásico. Se trata de un sistema muy parecido al sincro, sólo que en éste, la configuración de los devanados es distinta. Funciona de esta manera: los devanados del estator
52
se alimentan en serie, generando así, un campo estacionario sobre el eje 0, y recogiendo, los devanados del rotor bifásico, esas tensiones. •
Sensores de velocidad: Se utilizan para controlar la dinámica de los robots, normalmente los industriales. Hay dos tipos: o Analógicos: Se trata de un generador de corriente continua o dínamo tacométrica, excitación a partir de imanes permanentes, donde la tensión generada al girar el rotor es proporcional a la velocidad angular de giro. o Digitales: Se basan en la detección de frecuencia de generadores de impulsos a base de captadores ópticos o inductivos, de forma análoga a la indicada para un encoder incremental. La velocidad es directamente proporcional a frecuencia de la señal obtenida. F= n * N/60 Estos generadores han sustituido en muchas aplicaciones a los tacométricos, (robustas, adaptables a sistemas de control digitales y buena relación coste/precio.)
•
Sensores de aceleración: Normalmente, para controlar la aceleración se necesita calcular como variación de la velocidad en le tiempo. Aunque, para medirla de manera más directa se utilizan los acelerómetros, que miden la fuerza de inercia que actúa sobre una masa conocida, para ello miden la deformación del muelle, que está unido al sistema.
53
•
Sensores de fuerza: Para calcular la fuerza de forma indirecta, se mide la deformación que experimenta un sólido, bajo la acción de dicha fuerza. Por ejemplo: o La célula de carga: Se trata de un cilindro deformable, que se encuentra en el núcleo de un transformador diferencial. Se mide la deformación lineal de una zona, producida por la flexión o torsión de alguna pieza elástica.
2.4. Sectores estratégicos en los que aplicamos la sensórica
2.4.1.
Máquina Herramienta - Definición y concepción del producto
•
Identificación de requerimientos de nuevos productos.
•
Evaluación de la viabilidad técnica y económica de las diferentes alternativas.
•
Análisis de las diferentes soluciones técnicas.
•
Evaluación de la idoneidad para la implementación de tecnologías emergentes en el nuevo producto
2.4.2.
Diseño y desarrollo de sistemas mecatrónicos de altas prestaciones
•
Diseño.
•
Optimización estática, dinámica y térmica mediante cálculos MEF.
•
Simulaciones cinemáticas y dinámicas avanzadas
•
Construcción de prototipos
•
Puesta a punto calibración, caracterización mecánica y verificación geométrica y de precisión de máquinas y prototipos
54
•
Incorporación de materiales compuestos y estructuras inteligentes en componentes y estructuras: sistemas capaces de detectar cambios en su entorno y reaccionar ante las nuevas condiciones.
•
Desarrollo de nuevas arquitecturas de máquina. Sistemas basados en cinemática paralela.
2.4.3. •
Concepción y desarrollo de accionamientos Diseño bajo criterios estáticos y dinámicos de servo-accionamientos eléctricos de máquinas: selección de motor, paso y factor de reducción.
•
Simulación
del
comportamiento
dinámico
(aceleraciones,
jerks
y
frecuencias naturales) y de los parámetros de control (Kv, Kp) alcanzables. •
Puesta a punto y ajuste experimental de los parámetros óptimos de regulación y control de los servo accionamientos.
2.4.4. •
Validación experimental de máquina Análisis mediante técnicas de mecánica experimental: sensorización, adquisición
y
tratamiento
de
señales,
análisis
experimental
del
comportamiento •
Análisis de deformación estática y dinámica
•
Análisis modal: obtención de frecuencias naturales y modos de vibración
2.4.5. •
Desarrollo y optimización de procesos Estudio, mejora y optimización de procesos existentes: procesos de arranque y soldadura por fricción. Selección de herramientas, optimización de parámetros de proceso, definición de estrategias.
•
Sistemas de monitorización de procesos para control y detección de fallos.
55
•
Desarrollo de nuevos procesos de fabricación: incremental sheet forming (ISF) o dieless, procesos de transformación mediante plasma o láser, procesos de transformación asistidos por técnicas ultrasónicas...
•
Concepción
de
máquinas
adaptadas
al
proceso.
Definición
de
especificaciones, herramientas y utillajes adaptados a las características del proceso de fabricación. 2.4.6. •
Control numérico avanzado Concepción, diseño y desarrollo de soluciones de control personalizadas en función de los requerimientos de una aplicación concreta.
•
Parametrización y puesta en marcha de controles estándar. Control de posición, velocidad, fuerza...
•
Adaptación de control numérico para máquinas, procesos o aplicaciones con requerimientos complejos. Desarrollo de ciclos compilados.11
11
www.electronicaestudio.com/sensores.htm
56
3. METODOLOGÍA Para facilitar el proceso de diseño y desarrollo del proyecto, a continuación se propone una metodología con las siguientes etapas, cada una de las cuales se puede dividir en fases más específicas. Estas etapas principales son: •
Documentación del Proyecto Bajo este término genérico se agrupan toda la información teórica contenida en el proyecto de tal forma que se especifica su funcionamiento y principales cuidados.
•
Ajustes y elaboración de la primera versión Teniendo en cuenta los resultados del proyecto en sus pruebas parciales se forma la versión definitiva del proyecto.
•
Diseño Constituye un primer esquema del proyecto que pondrá énfasis en el funcionamiento del módulo, señalando así: o Diagrama de bloques o Análisis de cada etapa o Diseño de las etapas
•
Lógico Proceso en el cual se definen las características didácticas de la aplicación, es decir, el enfoque que se le va a dar a la aplicación, por ejemplo: inductivo o deductivo.
•
Elaboración del prototipo En esta fase ya se han definido las herramientas a utilizar y basados en el diseño y los objetivos se empieza con el desarrollo del producto final.
57
3.1. Enfoque de la investigación
Dentro de este contexto esta investigación se podría referenciar en el enfoque empírico-analítico. Algunas características del método empírico-analítico son: Es fáctico; se ocupa de los hechos que realmente acontecen.
Se vale de la
verificación empírica, no pone a prueba las hipótesis mediante el sentido común o religioso, sino mediante una cuidadosa comprobación por medio de los sentidos. Es auto correctivo y progresivo; la ciencia se construye a partir de la superación gradual de sus errores. No considera a sus conclusiones como infalibles o finales. El método está abierto a la incorporación de nuevos conocimientos y procedimientos con el fín de asegurar un mejor acercamiento a la realidad es por esto que el módulo de entrenamiento didáctico se enmarca dentro de este contexto. 3.2. Líneas de la Investigación
3.2.1.
Investigación básica y aplicada.
Orientada a producir nuevos conocimientos, a comprobar aquellos que forman parte del saber y de las actividades del hombre referidos a contextos específicos, alimentada por los proyectos de autoequipamiento y los proyectos de investigación. Proyecto de autoequipamiento. Todo aquel proyecto que ayuda a equipar los laboratorios y/o talleres de la universidad, mediante el diseño y la construcción de prototipos diseñados específicamente para atender algunas necesidades del proceso enseñanza y aprendizaje que a su vez superan en opciones de práctica, calidad y menor precio a los equipos industriales. Por lo anterior se puede concebir que algunos equipos y/o dispositivos se desarrollen e implementen por
58
parte de docentes y estudiantes, con fines de mejoramiento del equipamiento didáctico de los laboratorios y talleres de la Universidad. La sublínea de investigación: procesamiento de señales y en el campo de investigación es análisis y procesamiento de señales. 3.3. Técnicas de Recolección de la información
La forma en que se recolecta la información es a través de encuestas a docentes, quienes indican cuáles son los temarios más adecuados y la mejor forma de diseño, para un mejor entendimiento en el uso de estos módulos. 3.4. Población de Muestra
•
Profesores de la Facultad de Ingeniería
•
Ingenieros vinculados a la universidad
•
Laboratoristas vinculados a la universidad
•
Estudiantes de la Facultad de Ingeniería
3.5. Hipótesis
Al implementar este módulo se conseguirá que los estudiantes afiancen y complementen los conocimientos teóricos adquiridos en las clases o cátedras con la parte práctica en el tema relacionado con análisis de señales, comprendiendo como se hace la adquisición de una señal a través de sensores, las diferentes etapas por la que esta señal pasa y a su vez, contemplar sus posibles usos en la industria.
59
3.6. Variables
3.6.1.
Variables Independientes
El desarrollo del proyecto, puede ser afectado por la limitada disponibilidad que hay en el laboratorio de la universidad para trabajar en el, ya que ésto repercute en el tiempo de desarrollo del proyecto y las pruebas que este exige. El costo de los sensores será un variable a tener en cuenta en la implementación del módulo.
3.6.2.
Variables Dependiente
Para la elaboración de un módulo de entrenamiento didáctico se debe tener en cuanta la calidad de los materiales ya que debido a ello se determina su vida útil, el tipo de sensores determina el uso conveniente para sacar su máximo provecho. El
tamaño es un factor importante para que este se acomode bien en el
laboratorio y sea acorde con los demás equipos.
60
4. Recursos y Presupuestos
Los recursos físicos son los laboratorios de la universidad. Por la parte financiera se espera que la universidad de su apoyo para el desarrollo de este proyecto.
Presupuesto
Referencia
Cantidad
Precio
Fuente
1
$50000
873ª
1
$25000
30
$30000
22PF
2
$2000
LCD 2*16
1
$20000
Conector
1
$5000
DSI8520
1
$200000
MPX5700
1
$260000
HIH3610
1
$390000
LF353
2
$6000
MAX232
1
$6000
Borneras
Varios
$1006000
TOTAL
$1700000
61
5. DISEÑO INGENIERIL 5.1. DIAGRAMA GENERAL
62
5.2. DISEÑO ELECTRÓNICO
63
5.3. Acople de la señal del sensor de humedad
64
5.4. Acople de la señal del sensor de presión
65
5.5. Aplicación del DAC 0808
Donde: Vo = (A1/2 + A2/4 +… + A8/256)
66
5.6. Acoplamiento De Potencia
5.7. Filtro de acople para la entrada al microprocesador
67
5.8. CUERPO PRINCIPAL DEL PROGRAMA
INICIO
MAIN
CALL
CONFPORTS
CALL
INILCD
CALL
CONFSERIAL
CALL
INIANALOGA
CLRF
CONTADOR
CALL
CONVERTEMP
CALL
CONVERHUME
CALL
CONVERPRESION
CALL
PRESWVI
CALL
RECIBE
CALL
TRANSMITIR
CALL
RETARDO
GOTO
MAIN
FIN DEL CUERPO PRINCIPAL DEL PROGRAMA
68
5.9. Interfaz Gráfica del PC
69
6. RESULTADOS
•
En la interfaz gráfica se puede visualizar las curvas de: • Temperatura: Grados centígrados VS tiempo en segundos. • Humedad: Humedad relativa VS tiempo en segundos. • Presión: Kpascales VS tiempo en segundos.
• El módulo tiene rangos de medición: • Temperatura: - 50 a 127 oc • Humedad: 0 a 100 HR • Presión: 0 a 250 Kpa • El módulo esta acompañado de un tutorial de acompañamiento para prácticas de análisis de señales.
70
7. CONCLUSIONES
•
Por medio del uso del módulo de entrenamiento didáctico en sensórica se puede observar la equivalencia en voltaje de cada una de las variables a medir.
•
Debido a la sensibilidad de 6.4 mV/kPa del sensor de presión es necesario el uso de fuentes de mucha presión como compresores de aire para ver cambios en las curvas, ya que este sensor es de uso industrial y necesita de altas fuerza en kPa para ver diferencias en las gráficas.
•
Como el sensor de temperatura hace su conversión a temperatura en 750mS, se puede ver que sus aplicaciones son óptimas en el uso de la robótica y dispositivos de respuesta rápida.
•
Debido a que el sensor de humedad es bastante sensible y de respuesta rápida, ya que su respuesta de voltaje contra humedad relativa es lineal, se puede decir que es excelente en aplicaciones donde la fiabilidad del sensor sea de gran importancia.
71
8. RECOMENDACIONES
•
Hacer las mediciones de las prácticas con bases experimentales dadas por el profesor o el tutorial de acompañamiento.
•
Tener en cuenta los rangos de medición de los sensores para evitar daños en éstos.
•
Tener en cuanta la sensibilidad de los sensores para la aplicación y visualización de las variables a medir.
72
9. GLOSARIO
A/D. Acrónimo de Analógico/Digital. ADAPTACIÓN. Tipo evolutivo de cambio (usualmente involucra una modificación progresiva de cierta estructura o estructuras) que un sistema realiza para hacer frente a los cambios del entorno, mientras mantiene los atributos esenciales de la estructura y constantes del sistema. ADC. Acrónimo de Analog to Digital Converter (Convertidor de analógico a digital o simplemente convertidor analógico - digital). ANALÓGICO. Representación continua de variables físicas, como la tensión o la intensidad. Representación de información mediante una señal que varía continuamente. Algunas computadoras y una gran cantidad de equipos de prueba y de medición usan circuitos analógicos. En lugar de los circuitos digitales (que representan todo mediante ceros y unos), los primeros usan valores múltiples, lo cual los vuelve útiles en el caso de equipos de prueba y medición. ASINCRÓNICO. Transmisión no relacionada con ningún tipo de sincronización temporal entre el emisor y el receptor. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. Aplicación de tecnologías tele-informáticas a las actividades de control de producción, minimizando la intervención humana. Sistemas que sean capaces de cerrar un lazo con la mínima intervención del operador. Implica medir el proceso, determinar su estado, tomar una decisión en base a un objetivo pautado y actuar sobre el proceso para llevarlo a su objetivo. BINARIO. Representación matemática de un número en base 2, es decir con sólo dos estados, 1 y 0; on y off; o alto y bajo. Es la base de las matemáticas aplicadas en sistemas digitales y ordenadores. La representación binaria requiere un número de dígitos mayor que el sistema decimal en base 10 que la mayoría de nosotros utiliza todos los días. Por ejemplo el número 254 en base 10 es 11111110 en
73
binario. El resultado de una multiplicación binaria contiene un número de dígitos igual a la suma de los dígitos de los números originales. Por ejemplo: 10101111 x 11010100 = 1001000011101100 (en decimal 175 x 212 = 37.100). Cada dígito se conoce como bit. En este ejemplo se multiplican dos números de 8 bits para obtener un resultado de 16 bits - un proceso muy común en equipos de TV digital. BIT. Dígito Binario (Binary digIT) = bit. Un bit matemático puede adoptar dos niveles o estados, on/off, blanco/negro, etc.; dos bits pueden definir cuatro niveles, tres bits ocho y así sucesivamente. En términos de imagen, 8 bits pueden definir 256 niveles de gris entre el blanco y el negro. BUCLE. Conjunto de instrucciones que se repiten varias veces consecutivamente. BUS. Ruta interna para transmitir señales digitales de un lado a otro de un sistema. También sistema de transmisión de datos alámbrico. BYTE (kbyte, Mbyte, Gbyte y Tbyte). 1 Byte = 8 bits = 256 (valores discretos de brillo, color, etc.). 1 kilobyte = 1.024 bytes (no 1000 bytes). 1 Megabyte = 1.048.576 bytes (no 1 millón de bytes). 1 Gigabyte = 1.073.741.824 bytes (no mil millones de bytes). 1 Terabyte = 1.099.511.627.776 bytes (no un trillón de bytes). Los chips de estado sólido generalmente almacenan en incrementos de 1,4,16 y ahora 64 Mbits que suelen ir ordenados en grupos de ocho para ofrecer 1,4,16 ó 64 Mbytes. COMPILADOR. Programa que pasa un programa escrito en un lenguaje de alto nivel (parecido al humano) al lenguaje de la máquina, de modo que ésta lo entienda perfectamente. Programa que traduce lenguajes de alto nivel a lenguaje máquina. COMUNICACIÓN. Un proceso de ida y vuelta involucrando transmisión y recepción. Los pájaros, las abejas, las pulgas amaestradas y las computadoras lo hacen. CONTROL. Selección de las entradas de un sistema de manera que los estados o salidas cambien de acuerdo a una manera deseada.
74
CONTROL NUMÉRICO. Control en el cual los datos están representados en forma de códigos numéricos almacenados en un medio adecuado (normalmente magnético). Se llaman también sistemas de punto a punto, o de camino continuo. CONVERTIDOR codificador.
ANALOGICO-DIGITAL
Dispositivo
que
(A/D,
convierte,
ADC). con
También
cierta
llamado
aproximación
(CUANTIFICACIÓN), una señal analógica en una señal digital, usualmente una señal codificada numéricamente. CONVERTIDOR
DIGITAL-ANALOGICO
(D/A,
DAC).
También
llamado
decodificador. Dispositivo que convierte una señal digital (datos codificados numéricamente) en una señal analógica. Tipos: resistores ponderados, escalera. D/A. Acrónimo de Digital/Analógico DAC. Acrónimo de Digital to Analog Converter (convertidor de digital a analógico o simplemente convertidor digital-analógico) DATO. Símbolo lingüístico o numérico que representa ya sea algo concreto como abstracto. "1, 2, 3" son datos. En el momento de enlazar datos. Como por ejemplo, "1, 2, 3" = "ventas diarias de enero 1,2,3", los datos se convierten en información. Es habitual confundir datos con información DIAGRAMA DE FLUJO (FLOW-CHART). Trazado de la escritura y curso de un programa en el que se utilizan formas diferentes, como un rectángulo o un cuadrado para indicar una acción del ordenador y un rombo para las decisiones tomadas por éste. Normalmente se suele hacer el gráfico o diagrama del programa antes de introducir una sola línea de éste en el ordenador. DIGITAL. Representación de información mediante combinaciones de unidades binarias, siendo el 'bit' la empleada en informática. E/S. Acrónimo de 'Entrada/Salida'. Suele aplicarse al flujo de datos. También es conocido por su acrónimo inglés 'I/O' ENSAMBLADOR (ASSEMBLER). Es un programa que convierte un programa escrito en lenguaje de ensamble (assembly language) en un código que el
75
microprocesador puede ejecutar directamente. Lenguaje de programación que utiliza símbolos y palabras, más difícil de manejar que los lenguajes de alto nivel, pero más fácil que el lenguaje máquina. También, programa que traduce el lenguaje ensamblador a lenguaje máquina. ENTRADA. Proceso de incorporar datos y programas en la memoria o en el procesador de una computadora, a los efectos de su procesamiento. Cualquier dato, conocimiento u opinión que se provee a otro para ayudar en el proceso de toma de decisión. ESTABILIDAD. Condición en la cual las variables críticas de un sistema dinámico se mantienen invariables o permanecen dentro de unos límites determinados. HARDWARE. (Ferretería). Se dice de cualquier componente físico relacionado con el sector informático. Antónimo: 'software' (Soft = Blando) por oposición a 'hardware' (Hard = Duro). Componentes materiales del ordenador: pantalla, chips, etc. Conjunto de dispositivos de los que consiste un sistema. Comprende componentes tales como el teclado, el Mouse, las unidades de disco y el monitor. Se denomina hardware a la maquinaria física del ordenador (véase firmware y software). HARDWARE DEDICADO. Hardware y software diseñados para una tarea específica, no de propósito general (ordenador). El hardware dedicado proporciona velocidades de proceso muy superiores, de 10 a 100 veces, a las de los sistemas que utilizan la misma tecnología aplicada a una arquitectura y a un software de sistema operativo de propósito general. Esto resulta importante, por ejemplo, en el tratamiento de imágenes, donde las tareas requieren una gran potencia de procesado sobre todo cuando las exigencias crecen en proporción al tamaño del fichero de la imagen HEXADECIMAL. Abreviado como Hex. Sistema de numeración en base 16 (de 0 a 9 y de A a F), muy utilizado en informática. Puesto que cada dígito hexadecimal representa 4 dígitos binarios, un octeto se representará con sólo 2 dígitos
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hexadecimales. Un sistema de contar muy apreciado por los programadores de códigos, ya que está en estrecha relación con el método de almacenamiento utilizado por los ordenadores; está basado en el número 16 en vez del 10, que es el número en el que se basa nuestro sistema de contar ordinario. INFORMACIÓN. Fragmentos de datos correlacionados que se generan, almacenan, analizan, interpretan o transmiten. Un dato aislado no es información, como tampoco datos no relacionados. Para que aparezca la información debe haber un enlace entre los fragmentos de datos. Salvo el claro caso de la información genética, en general se sospecha que otros tipos de información son un fenómeno mental, cuyas relaciones con el mundo físico están en discusión (von Weizsäcker opina que debería haber una relación entre información y energía, pese a que la información entregada no se pierde y la energía entregada sí). La información no hereditaria se adapta a la forma de la red neuronal que caracteriza al cerebro y tiene su correlato con ella (redes semánticas y sintácticas). Ampliación de este concepto INTERFAZ. Conexión mecánica o eléctrica que permite el intercambio de información entre dos dispositivos o sistemas. Habitualmente se refiere al 'software' y 'hardware' necesarios para unir dos elementos de proceso en un sistema o bien para describir los estándares recomendados para realizar dichas interconexiones. También se conoce por su denominación inglesa: 'interface' LENGUAJE. En informática, conjunto de caracteres e instrucciones utilizadas para escribir programas de ordenador LENGUAJE DE ALTO NIVEL. Lenguaje de programación parecidos a la lengua del usuario (generalmente al inglés). Los lenguajes de bajo nivel están más cercanos a los lenguajes comprensibles para el ordenador. Como los lenguajes de alto nivel han de pasarse a una forma que el ordenador pueda comprender antes de procesarlos, su ejecución es más lenta que la de los lenguajes de bajo nivel.
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Lenguaje de programación que utiliza instrucciones escritas con palabras comunes. LENGUAJE DE BAJO NIVEL. Lenguaje parecido al utilizado en el ordenador. LENGUAJE MÁQUINA. Es el escalón inferior al lenguaje de bajo nivel. Es el lenguaje que el ordenador entiende directamente. LINEALIZACIÓN. Procedimiento de conversión de un modelo no lineal en uno lineal, alrededor de un punto de operación seleccionado, por medio de series de Taylor. LÓGICA. Derivado del griego clásico logos (la razón, principio que gobierna al universo): un conjunto de reglas usadas para gestionar inferencias creíbles. Aristóteles recomienda una lógica dicotómica, verdadero-falso. Los filósofos orientales se inclinan más bien a usar una lógica difusa multi-valorada. Ambas técnicas se están usando para modelar los procesos cognitivos humanos en la computadora. MUESTREO. Proceso de transformación de una señal en tiempo continuo en una de
tiempo
discreto.
Tipos
de
muestreo:
periódico,
de
orden
múltiple,
multifrecuencia (múltiples frecuencias), aleatorio. PERIFÉRICO. Dispositivo externo o interno que se conecta al ordenador PLANTA. Parte de un equipo o un conjunto de las partes de una máquina que funcionan juntas. Ejemplos: dispositivo mecánico, horno de calefacción, reactor químico, nave espacial, etc. PROCESAMIENTO DE DATOS. Técnicas eléctricas o mecánicas usadas para manipular datos para el empleo humano o de máquinas. Por supuesto, dado que se ha avanzado mucho en la comparación entre computadoras y cerebros, ¿por qué no invertir la situación y afirmar que el cerebro es capaz de procesar datos? PROCESO. Operación o desarrollo natural progresivamente continuo, marcado por una serie de cambios graduales que se suceden uno al otro en una forma relativamente fija y que conducen a un resultado o propósito determinados.
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Operación artificial o voluntaria progresiva que consiste en una serie de acciones o movimientos controlados, sistemáticamente dirigidos hacia un resultado o propósito determinados. Ejemplos: procesos químicos, económicos y biológicos. PROGRAMA. Secuencia de instrucciones que obliga al ordenador a realizar una tarea determinada. Serie de instrucciones que sigue el ordenador para llevar a cabo una tarea determinada. PUERTO. Punto de conexión en la computadora. Los puertos se utilizan para conectar a la computadora dispositivos tales como impresoras, monitores o módems y para enviar información desde la computadora a dichos dispositivos. Los puertos utilizados con más frecuencia son los puertos en serie (COM) y los puertos en paralelo (LPT). REGULACIÓN. Proceso de control que hace que una variable dinámica permanezca fija o cercana a un valor deseado, por medio de una acción de control de lazo cerrado correctiva constante. SENSÓRICA AVANZADA/SENSORES. Conjunto de dispositivos que permiten obtener información más o menos compleja de un entorno y, mediante un tratamiento adecuado de esa información, interactuar con él o con un supervisor (generalmente un operario). SEÑAL ANALÓGICA. Señal continua cuya amplitud puede adoptar un intervalo continuo de valores. Caso especial de señal continua. En la práctica se emplea el término "tiempo continuo" en lugar de "analógica", pero estrictamente hablando no son sinónimos (una señal analógica es continua pero no cuantificada). SEÑAL CONTINUA. Señal que se define sobre un intervalo continuo de tiempo. La amplitud puede tener un intervalo continuo de valores o solamente un número finito de valores distintos. Tipos: señal analógica, señal cuantificada. SEÑAL CUANTIFICADA. Señal continua cuya amplitud puede adoptar un conjunto finito de valores. Caso especial de señal continua.
79
SEÑAL DE DATOS MUESTREADOS. Señal discreta en la cual la amplitud puede adoptar valores en un intervalo continuo. Se puede generar muestreando una señal analógica en valores discretos de tiempo. Señal de pulsos modulada en amplitud. SEÑAL DIGITAL. Señal discreta con amplitud cuantificada. Dicha señal se puede representar mediante una secuencia de números (por ejemplo, binarios). En la práctica muchas señales digitales se obtienen mediante el muestreo de señales analógicas que después se cuantifican; la CUANTIFICACIÓN es lo que permite que estas señales analógicas sean leídas como palabras binarias. En la práctica, los términos "tiempo discreto" y "digital" a menudo se intercambian, pero estrictamente hablando no son sinónimos. SEÑAL DISCRETA o SEÑAL DE TIEMPO DISCRETO. Señal definida sólo en valores discretos de tiempo (la variable t está cuantificada). Tipos: señal de datos muestreados, señal digital. El término "señal de tiempo discreto "es más general que el término "señal digital". SOFTWARE ("LOGICAL"). Es el programa que ejecuta el ordenador. Dícese de cualquier componente lógico (programas, aplicaciones) relacionado con el sector informático. Antónimo: 'hardware' (Hard = Duro) por oposición a 'software' (Soft = Blando).
Componentes
inmateriales
del
ordenador:
programas,
sistemas
operativos, etc. Conjunto de instrucciones mediante las cuales la computadora puede realizar tareas. Los programas, los sistemas operativos y las aplicaciones son ejemplos de software. TRANSDUCTOR. Dispositivo que convierte una señal de entrada en una señal de salida de naturaleza diferente a la de entrada, tales como los dispositivos que convierten una señal de presión en un voltaje. Tipos: analógicos, de datos muestreados, digitales. VARIABLE CONTROLADA. Variable dinámica que se regula. Esta variable es medida por los sensores.
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VARIABLE DE CONTROL. Variable entregada por el controlador para ser aplicada al actuador, después de ser transformada y amplificada. Esta variable depende de la variable error. VARIABLE DE ERROR. Desviación de la variable controlada con respecto al punto de referencia. El regulador digital responde en dependencia de esta variable. VARIABLE MANIPULADA. Variable dinámica que cambia como función de la variable de control y que modifica directamente la variable controlada. Por ejemplo, en el proceso de calentamiento de un líquido la variable de control es el voltaje, el cual se aplica a una resistencia, y la variable manipulada es el calor. VARIABLE MEDIDA. Variable dinámica dada por los sensores, proporcional a la variable controlada. Normalmente es un nivel de voltaje o corriente.
81
10. RECURSOS 10.1. BIBLIOGRAFÍA
•
ORTIZ, Muñoz, Genaro, Implementación de un sistema de alarmas mediante sensores para el mejoramiento de la seguridad. Bogotá, D.C., 2001, 229p. Monografía
•
PALLÁS, Areny, Ramón, Sensores y acondicionadores de señal. España, Barcelona, 1994, 480p. Editorial Marcombo S.A.
•
PRENSKY, Sol D, Curso superior de instrumental electrónico. México, 1974, 229p. Editorial A. I. D.
•
SMITH, Carlos A.
Control automático de procesos: teoría y práctica.
México, 1991, 717p. Editorial Limusa, Noriega 10.2. INTERNET
•
www.monografias.com/sensores.htm (2006-04-17 / 4 :01pm)
•
www.x-robotics.com/sensores.htm (2006-04-18 / 4 :55pm)
•
www.superrobotica.com/Sensores.htm (2006-04-22 / 7 :21pm)
•
www.micropik.com/provisional/pag_sensores.htm (2006-05-06 / 11 :11am)
•
www.electronicaestudio.com/sensores.htm (2006-05-10 / 5 :54pm)
82
ANEXOS
83