Informe de Laboratorio Nº 5

Medidor de Nivel SSCZ-5

Medidor de nivel de líquido para aplicaciones domésticas,

comerciales e industriales

Características Generales

• Medición de Nivel de Líquido
• Alta Precisión y Exactitud
• Precio Accesible
• Tensión Nominal de Alimentación: +/- 15V

El medidor de nivel SSCZ-5 se basa en el método de presión diferencial para implementar la medición de la altura de un líquido cualquiera (haciendo una relación matemática) en un tanque abierto o cerrado.

Emplea el sensor de presión 216-6253. A este se conecta un amplificador de instrumentación construido con amplificadores operacionales (opamp’s) LM324. Se utiliza un potenciómetro en paralelo a la alimentación del sensor para ajustar el error de cero, y uno en el amplificador de instrumentación para ajustar la ganancia.

El arreglo antes descrito permite obtener una salida en el rango de 0 – 5V, el cual va al módulo de conversión Analógico/Digital (CAD) de un microcontrolador 16f877A. Acá se realiza la conversión y se procede a la visualización en la pantalla LCD.

Diagrama en Bloques del Sistema

Del Sensor:

Descripción: Transductor (configuración de Puente de Wheastone), presión, piezorresistivo, montaje en PCB, salida compensada, medida diferencial, 0-6.9 kPa.

Diagrama Eléctrico del Sensor


Del Cricuito Acondicionador:

• Amplificador de instrumentación implementado con opamp’s.
• Ganancia teórica: 313.087
• Etapa previa de ajuste del cero.
• Voltajes de offset (LM324): 1.5 mV
• Corrientes de offset: 5nA
• Potenciómetro para el ajuste de ganancia.

Diagrama Eléctrico del Circuito Acondicionador

Del CAD y la Visualización

Se implementó un convertidor AD con una resolución de 10 bits, que viene como un módulo periférico del microcontrolador 16f877. Dicho CAD emplea el método de conversión por aproximaciones sucesivas y presenta un máximo error de cuantización de ½ LSB. Se empleó una pantalla lcd de 16x2, controlada mediante el microcontrolador. La programación del mismo se realizó en lengaje C, y se usó el compilador CCS S, de PIC-C.

Diagrama Electrico de la Conversión y Visualización.

Características Generales del Sistema de Medida

Caracteríticas de Operación


Salida Teórica del Sistema

Curvas Descriptivas del Error

Informe de Laboratorio Nº 4

Acondicionamiento de sensores: ajuste de cero, ganancia y visualización.

Introducción

En el informe de laboratorio nº tres, explicábamos la necesidad de un adecuado acondicionamiento de la señal de salida de un sensor, debido a que era, en la práctica totalidad de los casos, inútil en su estado original. Entre las aplicaciones que requerían el acondicionamiento de dicha señal, mencionamos la transmisión y la visualización de los datos.
En el actual informe presentamos los resultados de la visualización de los resultados en una pantalla lcd. Se mostrarán los respectivos cálculos de errores y se plantearán las conclusiones respectivas.

Objetivos

• Lograr el ajuste del error de cero.
• Lograr el ajuste del error de ganancia.
• Visualizar los resultados en display.

Marco Teórico

Resolución del CAD: es el número de bits que posee la salida del conversor analógico digital. El numero de estados que esta podrá tomar viene dado por: D = 2 ^ N, donde N es la resolución.

Error de cuantización: es el error intrínseco que presenta la conversión analógico digital, y depende del número de bits que este posea. De este modo, a mayor resolución, menor error de cuantización.

Aproximaciones sucesivas: es un modelo de circuito electrónico que permite la obtención de un número digital a partir de (y equivalente a) un voltaje continuo. Es un método de conversión analógico digital.

Descripción del circuito empleado

La representación esquemática del circuito implementado es la siguiente:

Para la práctica se implementó un convertidor AD con una resolución de 10 bits, que viene como un módulo periférico del microcontrolador 16f877, el cual emplea el método de conversión por aproximaciones sucesivas y presenta un máximo error de cuantización de ½ LSB. Se empleó una pantalla lcd de 16x2, controlada mediante el microncontrolador. La programación del mismo se realizó en lengaje C, y se usó el compilador CCS S, de PIC-C.

Procedimiento experimental

Se alimento el circuito y se vació el tanque. Acto seguido se procedió al ajuste del cero, ajustando el potenciómetro de 1M. Acto seguido se tomó un valor como referencia y se empleó la tabla de resultados teóricos presentada en el informe de prelaboratorio para ajustar la ganancia. Finalmente se tomaron las medidas correspondientes (indicadas en la pantalla lcd) a fin de llenar la tabla solicitada en la práctica.

Resultados experimentales

Las medidas obtenidas se expresan en las tablas siguientes.

Medidas Subiendo:

Medidas Bajando:

Cálculo de Errores:

Subiendo:

Bajando:

Usando las medidas que generaron mayor error, construímos las siguientes gráficas:

De esta última sabemos que la ecuación de la recta linealizada viene dada por:

Eclineal = 1.1673x

El error de cero en este caso es nulo, ya que para una medida del 0% de la variable patrón, el sistema arrojó una lectura de 0.000 m. (Ver tablas de medidas)

El error de ganancia viene dado por:

Eganacia = [ (M ideal –M real)/ M ideal ] * 100 = [ (1-1.1673) / 1 ] * 100 = 16.73%

A continuación construimos una tabla de valores de la recta linealizada, para luego compararla con la recta real y hacer el cálculo de error de no linealidad

Error_no_linealidad_max = ( 0.112/ 0.67 ) * 100 = 16.85 %

Con estos datos construimos la gráfica del error de no linealidad:

Análisis de errores

Aunque muy sensible, es posible percibir la mejora con respecto a la experiencia anterior. Todos los errores se vieron minimizados, y en el caso de las lecturas a 0% y 100% de la variable patrón, fueron de precisión y exactitud casi impecables. Esto podría atribuirse a la reducción de la ganancia del amplificador de instrumentación a aproximadamente la mitad del valor original, condición necesaria para la conexión del CAD.

Conclusiones y recomendaciones.

Se recomienda que, en la etapa de acondicionamiento, se reduzca la amplificación tanto como sea posible, esto minimizará los errores que arroja la salida del sensor, obteniéndose así medidas más cercanas a la realidad.
Si se implementa la conversión analógico digital con un microcontrolador, es recomendable – sino necesario – incluir un retardo vía software para la actualización de las conversiones, de lo contrario se hará demasiado rápido y la salida del sistema oscilará, haciéndose ininteligible.

Informe de Pre-Laboratorio Nº 4

Ajuste de cero, ganancia y visualización.


Objetivos

• Lograr el ajuste del error de cero.
• Lograr el ajuste del error de ganancia.
• Visualizar los resultados en display.

Presentación

Es necesario el desarrollo de sistemas que puedan ser ajustados para reducir los errores y representar de forma adecuada los valores medidos.


Actividades de Pre-Laboratorio

A continuación se presenta el diagrama eléctrico de circuito implementado para los ajuste de cero, ganancia y visualización. En el montaje habrá, con toda seguridad, un potenciómetro adicional, el cual se emplea para el ajuste del contraste de la pantalla lcd. Opcionalmente podría existir un cuarto potenciómetro, necesario en caso de que el voltaje de alimentación de los amplificadores operacionales sea distinto del empleado para el sensor.



Dado el rango de valores de entrada para el CAD del Microcontrolador usado (0V - 5V), la ganancia se redujo a 5V cuando la lectura de nivel es máxima.

Tabla de Valores Teóricos

Informe De Laboratorio Nº 4

Acondicionamiento De Sensores

Introducción

La salida de un sensor no puede ser medida directamente para efectos prácticos. Esta debe ser acondicionada a través de un circuito electrónico que permita su posterior visualización y transmisión, entre otros. En la presente práctica se efectuó el acondicionamiento de la señal de salida de un sensor de presión, con miras a una posterior digitalización y visualización. Los resultados de dicha préctica se presentan a continuación.

Objetivos

• Analizar la importancia del amplificador de instrumentación como interfaz para sensores.
• Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad.

Fundamento Teórico

En la presente práctica se empleó un amplificador de instrumentación implementado con amplificadores operacionales. La descripción de este circuito, su diagrama, función de transferencia y ecuaciones descriptivas fueron discutidas en el informe de prelaboratorio.

Descripción del Circuito Utilizado

El circuito empleado finalmente se describe a continuación

Nótese que fue implementado el ajuste del cero antes de la etapa de ganancia, a diferencia del circuito expuesto en el informe de prelaboratorio. Las razones para esto se explicarán mas adelante.

Procedimiento Experimental

Se alimento el circuito y se vació el tanque. Acto seguido se procedió al ajuste del cero, ajustando el potenciómetro de 1M, según la configuración proporcionada por el profesor. Acto seguido se tomó un valor como referencia y se empleó la tabla de resultados teóricos presentada en el informe de prelaboratorio para ajustar la ganancia. Finalmente se tomaron las medidas correspondientes, a fin de llenar la tabla solicitada en la práctica.

Resultados Experimentales

Los resultados medidos se presentan en la tabla que sigue:

Cálculo de Errores

A partir de esta última grafica sabemos que la ecuación de la recta linealizada viene dada por:

Eclineal = 1.1685x + 0.014

El Error de cero viene dado por

Ecero = 0 – 0.014 = 0.014

El error de ganancia viene dado por:

Eganacia = [ (M ideal –M real)/ M ideal ] * 100 = [ (1-1.1685) / 1 ] * 100 = 16.85%

A continuación construimos una tabla de valores de la recta linealizada, para luego compararla con la recta real y hacer el cálculo de error de no linealidad

Error_no_linealidad_max = ( 0.116 / 0.67 ) * 100 = 17.313 %

Con estos datos construimos la gráfica del error de no linealidad:

Análisis de errores

Efectuados los cálculos de errores, podemos hacer algunas lecturas. El error de ganancia no es demasiado elevado, pero puede considerarse implementar algún mecanismo que lo minimice. El error de cero es bastante satisfactorio, el desfase que presenta el sistema a este respecto es mínimo. La curva linealizada exhibe un comportamiento bastante cercano al de real, la cual, a su vez, es bastante cercana a la ideal. Sin embargo, es evidente (y de suponerse) que a medida que aumentan los valores medidos, los errores aumentan considerablemente su magnitud.

Conclusiones y recomendaciones

Los amplificadores de instrumentación implementados a base de opamp’s son muy eficientes en el tratamiento de señales de sensores moduladores resistivos, especialmente aquellos con voltajes de salida muy pequeños. Esto se debe a algunas de sus características, tales como altas ganancia e impedancia de entrada.

Sin embargos, ciertos modelos encapsulados no permiten hacer ajustes con respecto a los voltajes y corrientes de offset, típicos de los operacionales reales. Se recomienda entonces implementar el circuito con modelos que sí lo permitan, a fin de obtener mejoras en los errores de ganancia y de cero.

El circuito implementado en la práctica difiere del planteado en el prelaboratorio. Esto se debe a que resulta más efectivo hacer el ajuste del cero antes de entrar en la etapa de ganancia, el procedimiento opuesto es demasiado engorroso. La conexión fue indicada por el profesor, y se obtuvieron excelentes resultados al aplicarla.