DISEÑO, MONTAJE Y PROGRAMACIÓN DE UN … · ii UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios...

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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

Decanato de Estudios Profesionales

Coordinación de Ingeniería Electrónica

DISEÑO, MONTAJE Y PROGRAMACIÓN

DE UN REGISTRADOR ELECTRÓNICO

DE PARÁMETROS FÍSICOS.

Por:

Manuelvis Vanessa Rodal Castro.

Sartenejas, Marzo del 2008

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DISEÑO, MONTAJE Y PROGRAMACIÓN

DE UN REGISTRADOR ELECTRÓNICO

DE PARÁMETROS FÍSICOS.

Por:

Manuelvis Vanessa Rodal Castro.

Realizado con la asesoría de:

Profesor Juan Manuel Bogado.

Ingeniero Pedro Bortot.

INFORME FINAL DE CURSOS EN COORPERACION TECNICA Y

DESARROLLO SOCIAL

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico.


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DISEÑO, MONTAJE Y PROGRAMACIÓN DE UN REGISTRADOR

ELECTRÓNICO DE PARÁMETROS FÍSICOS.

INFORME FINAL DE CURSOS EN COORPERACION TECNICA Y

DESARROLLO SOCIAL presentado por:

Manuelvis Vanessa Rodal Castro

RESUMEN

La aplicación realizada se basa en el registro digital de señales analógicas

de presión y temperatura adquiridas a partir de un circuito de acondicionamiento.

Estas señales serán procesadas por un microcontrolador para obtener un valor

digital entendible con unidades apropiadas de temperatura y presión para su

posterior almacenamiento en una memoria flash no volátil.

Los datos registrados con su respectiva fecha de adquisición, podrán ser

enviados a través de comunicación inalámbrica por reemplazo de cables hacia un

módulo coordinador cuando éste así lo requiera.


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INDICE

INDICE .................................................................................................................................................................. V

ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................................................... VII

ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................................................................... IX

ABREVIATURAS ................................................................................................................................................ XI

PALABRAS EN INGLÉS ................................................................................................................................. XIII

UNIDADES ......................................................................................................................................................... XV

1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 1

1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................................................... 2 1.2 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................................................... 2 1.3 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................................... 2 1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................................................................... 3 1.5 ALCANCE Y LIMITACIONES .................................................................................................................... 3

2 MARCO TEÓRICO ..................................................................................................................................... 4

2.1 POZOS CON USO DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL POR GAS .................................................................. 4 2.1.1 Definición ......................................................................................................................................... 4 1.1.2 Constitución ...................................................................................................................................... 4 2.1.2 Variables a medir en el sistema ........................................................................................................ 5

2.2 SISTEMA SCADA .................................................................................................................................. 6 2.2.1 Definición ......................................................................................................................................... 6 2.2.2 Componentes del sistema SCADA .................................................................................................... 7 2.2.3 Funciones básicas............................................................................................................................. 7

2.3 SISTEMA DE ADQUISICIÓN ..................................................................................................................... 7 2.3.1 Sensores ............................................................................................................................................ 8

2.4 SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO ...................................................................................................... 26 2.4.1 Amplificador Instrumental (AI) ...................................................................................................... 26 2.4.2 Circuitos tipo puente ...................................................................................................................... 31 2.4.3 Transmisor ...................................................................................................................................... 35

2.5 SISTEMA DE REGISTRO Y ALMACENAMIENTO ....................................................................................... 36 2.5.1 ADC ................................................................................................................................................ 37 2.5.2 Compilador ..................................................................................................................................... 39 2.5.3 RTC DS1302 ................................................................................................................................... 40

2.6 COMUNICACIÓN ................................................................................................................................... 40 2.6.1 Comunicación serial ....................................................................................................................... 40 2.6.2 Comunicación inalámbrica ............................................................................................................ 45

2.7 ALIMENTACIÓN .................................................................................................................................... 52 2.7.1 Fuentes de alimentación compuesta por Pilas y Baterías .............................................................. 53 2.7.2 Fuentes de alimentación reguladas ................................................................................................ 53

2.8 CIRCUITO IMPRESO .............................................................................................................................. 56 2.8.1 Resistencia de los Conductores ...................................................................................................... 57 2.8.2 Retorno de señales de corriente ..................................................................................................... 58 2.8.3 Planos de tierra .............................................................................................................................. 60 2.8.4 Separar Tierras Analógicas de las Digitales .................................................................................. 60 2.8.5 Efecto Skin ...................................................................................................................................... 61 2.8.6 Capacitancias parásitas ................................................................................................................. 62

3 DISEÑO DEL SISTEMA ........................................................................................................................... 63

3.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA ................................................................................................ 63

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3.2 DESCRIPCIÓN Y CÁLCULOS DE LAS ETAPAS DE LA APLICACIÓN ............................................................ 64 3.2.1 Etapa de Adquisición de las señales de entrada ............................................................................. 64 3.2.2 Etapa de Acondicionamiento de la Señal ....................................................................................... 67 3.2.3 Etapa de Registro y Almacenamiento ............................................................................................. 75 3.2.4 Etapa de Comunicación .................................................................................................................. 84 3.2.5 Etapa de Alimentación .................................................................................................................... 87

3.3 LÓGICA DE PROGRAMACIÓN ................................................................................................................ 90

4 DISEÑO DEL PCB ..................................................................................................................................... 91

4.1 CRITERIOS DE DISEÑO .......................................................................................................................... 91 4.2 DISEÑO DEL PCB ................................................................................................................................. 98

5 RESULTADOS Y ANÁLISIS .................................................................................................................. 102

6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................................... 104

7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................... 106

8 ANEXOS .................................................................................................................................................... 107

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 El levantamiento por gas consiste en inyectar gas dentro del pozo en el espacio

entre el casing y el tubing. ........................................................................................................... 5

Figura 2 Cabezal de pozo produciendo a través de levantamiento artificial por gas. ................ 6

Figura 3 Principios básicos de las Termocuplas. ....................................................................... 10

Figura 4 Característica Voltaje de salida vs. Temperatura de termopares tipo J, K y S. ......... 12

Figura 5 Curva del coeficiente Seebeck de termocuplas tipo J, K y S vs. Temperatura. ......... 12

Figura 6 Tipos de conexión posible para las RTD en un circuito tipo puente. ........................ 17

Figura 7 Características de resistencia de un termistor NTC con 10K Ω ................................ 19

Figura 8 Curvas características de una termocupla, un RTD y de un termistor. ...................... 20

Figura 9 Transductor piezoeléctrico. ........................................................................................ 25

Figura 10 Esquema general de un amplificador instrumental. ................................................. 27

Figura 11 Configuración usando dos AO. ................................................................................ 28

Figura 12 Configuración del AI tres-AO. ................................................................................. 29

Figura 13 Puente de Wheatstone básico. .................................................................................. 31

Figura 14 La sensibilidad y la linealidad del OV del puente alimentado por voltaje difiere para

cada configuración dependiendo del número de elementos activos. ......................................... 32

Figura 15 La sensibilidad y la linealidad del OV del puente alimentado por corriente, es la

misma para todas configuraciones excepto la que posee un solo elemento activo. .................. 34

Figura 16 Esquemático simplificado del XTR101. .................................................................. 36

Figura 17 Bits Significativos contra bits Binarios .................................................................... 38

Figura 18 Ejemplos de span que requieren corrección. ............................................................ 39

Figura 19 Asignación de pines en el conector DB-9. ............................................................... 44

Figura 20 Capas del estándar Zigbee. ....................................................................................... 47

Figura 21 Maestro-Esclavo: Ciclo Consulta-Respuesta. .......................................................... 51

Figura 22 Método para hallar la resistencia de una hoja de cobre. .......................................... 57

Figura 23 Circulación de la corriente idealmente. .................................................................... 58

Figura 24 Condición ideal entre las tierras: “Conductividad Infinita”. .................................... 59

Figura 25 Modelo más realista de un sistema de tierra. ........................................................... 59

Figura 26 Diagrama básico que describe un condensador de plato paralelo. ........................... 62

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Figura 27 RTD de platino de la serie KN con TC=0.00385. .................................................... 65

Figura 28 Sensor de presión de la serie 13 mm de Honeywell, modelo 13C 3000P (A,S)

(1,4,5,6) (K,L). .......................................................................................................................... 66

Figura 29 Configuración de pines del transmisor de corriente XTR101. ................................. 68

Figura 30 Transductor para una RTD. ....................................................................................... 69

Figura 31 Gráfica de la relación Voltaje de salida del XTR101 vs. Temperatura. .................. 72

Figura 32 Diagrama circuital del acondicionamiento del sensor de temperatura. .................... 72

Figura 33 Transductor para una galga extensométrica. ............................................................ 73

Figura 34 Diagrama circuital del acondicionamiento del sensor de temperatura. .................... 75

Figura 35 Configuración de pines del ATMEGA128L. ........................................................... 76

Figura 36 Módulo de memoria utilizado basado en una tarjeta SD. ........................................ 83

Figura 37 Izquierda: Localización de los conectores. Derecha: Módulo Zigbee. .................... 85

Figura 38 Cable para la conexión vía RS232 del módulo Zigbee. ........................................... 86

Figura 39 Esquema de la comunicación entre los módulos zigbee. ......................................... 87

Figura 40 Batería sellada de plomo-ácido regulada por válvula. ............................................. 88

Figura 41 Diagrama circuital de la tarjeta de conversión de voltaje DC-DC utilizada. ........... 89

Figura 42 Auto-resonancia típica de un condensador de 0.01uF. ............................................ 97

Figura 43 Diagrama circuital completo del módulo de acondicionamiento. ............................ 99

Figura 44 Dimensiones de las vías del PCB. .......................................................................... 100

Figura 45 Dimensiones de las pistas redondeadas del PCB. .................................................. 100

Figura 46 PCB completo del módulo de acondicionamiento. ................................................ 101

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Características de RTD’s fabricadas con Platino, Níquel y Cobre ............................... 15

Tabla 2 Comparación entre RTD, el Termistor y la Termocupla. ............................................. 21

Tabla 3 Señales del sistema SPI. ............................................................................................... 41

Tabla 4 Definiciones de la terminología del bus I2C. ................................................................ 44

Tabla 5 Formato de cada byte en modo RTU. ........................................................................... 52

Tabla 6 Configuración de los pines del puerto B utilizados para el módulo SPI. ..................... 76

Tabla 7 Configuración de los pines del puerto D utilizados para comunicación serial............. 77

Tabla 8 Configuración de los pines del puerto B utilizados para el módulo SPI. ..................... 77

Tabla 9 Configuración del ADC según los datos requeridos. ................................................... 77

Tabla 10 Configuración del registro de selección del multiplexor del módulo del ADC. ........ 79

Tabla 11 Configuración del registro de Control y Estatus del módulo del ADC. ..................... 79

Tabla 12 Configuración del registro Timer/Counter1 Control Register B del módulo timer. .. 80

Tabla 13 Configuración del registro Timer/Counter1 alto del módulo timer. ........................... 81

Tabla 14 Configuración del registro Timer/Counter1 bajo del módulo timer. .......................... 81

Tabla 15 Configuración del registro Timer/Counter1 Control Interrup Mask del módulo timer.

................................................................................................................................................... 81

Tabla 16 Configuración del registro SPCR (Control de registros del SPI) .............................. 82

Tabla 17 Configuración del byte de comando. .......................................................................... 83

Tabla 18 Configuración de los pines del uALFAT para comunicación SPI. ............................ 84

Tabla 19 Configuración y funciones de los pines de RS232 del Módulo Zigbee. .................... 85

Tabla 20 Configuración y funciones de los pines de alimentación del Módulo Zigbee. .......... 86

Tabla 21 Dimensiones y características eléctricas de la batería utilizada. ................................ 88

Tabla 22 Condensadores más comunes con las máximas frecuencias donde son útiles. .......... 97

Tabla 23 Pruebas de temperatura realizadas a los módulos de acondicionamiento y registro.

................................................................................................................................................. 102

Tabla 24 Pruebas de presión realizadas a los módulos de acondicionamiento y registro. ...... 103

Tabla 25 Datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino (PIA). .......................... 108

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Tabla 26 Datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino (PA). ........................... 109

Tabla 27 Datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino (PC). ........................... 110

Tabla 28 Datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino (PB). ........................... 111

Tabla 29 Datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino (PD). ........................... 111

Tabla 30 Relación Voltaje de salida del XTR101 vs. Temperatura a partir de la relación

Resistencia vs. Temperatura del estándar PD (IEC-751) con TC=3.85e-3. ............................ 118

ABREVIATURAS

BDM Del inglés Background Debug Mode.

BJT Del inglés Bipolar Junction Transistor, que significa transistor bipolar

de juntura.

CA Corriente alterna.

CC Corriente contínua.

CPU Del inglés Central Processor Unit, que significa unidad central de

procesamiento.

CJC Del inglés Cold-Juntion Compensation, que significa compensación de

la juntura fría.

DB-9 Conector RS232 de 9 pines.

DIP Del inglés Dual In-line Package. Nombre empleado para el empaque de

circuitos integrados cuya separación entre pines es de 0.254 mm.

DSP Del inglés Digital Signal Processor, que significa Procesador Digital de

señales.

EEPROM Del inglés Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory,

que significa memoria de sólo lectura, programable y borrable

eléctricamente.

f.e.m Fuerza Electromotriz.

I2C Del inglés Inter-Integrated Circuit.

IC Del inglés Integrated Circuit, que significa circuito integrado.

ISO Del inglés Internacional Organization for Standarization, que significa

Organización Internacional para la Estandarización.

LAG Levantamiento Artificial por Gas.

LAN Del inglés Local Área Network, lo cual significa red de área local.

NTC Del inglés Negative Temperatura Cofficient, que significa coeficiente de

temperatura negativo.

PSR Del inglés Power Supply Rejection, lo cual significa rechazo de la fuente

de poder.

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Pt100 RTD fabricada con platino que muestra una resistencia de 100 Ω a 0º C.

PTC Del inglés Possitive Temperature Coefficient, que significa coeficiente

positivo de temperatura.

RAM Del inglés Random Access Memory, que memoria de acceso aleatorio.

RF Del inglés Radio-Frequency, que significa Radio Frecuencia.

RTD Del inglés Resistance Temperatura Detector, que significa detector de

temperatura a través de resistencia.

SCI Del inglés Serial Communication Interface, que significa interfaz serial

de comunicación.

SI Sistema Internacional de Unidades.

TC Del inglés Temperature Coefficient, lo cual significa coeficiente de

tempearatura.

USB Del inglés Universal Serial Bus, que significa Bus Serial Universal.

UART Transmisor-Receptor Asíncrono Universal.

WAN Del inglés Wide Área Network, lo cual significa red de área amplia.

WPAN Del inglés Wireless Personal Area Network, lo cual significa redes

inalámbricas de área personal.

PALABRAS EN INGLÉS

Ad hoc. Red que se crea espontáneamente, no requiere una infraestructura fija y está limitada

en el espacio y en el tiempo.

Debugging. Procedimiento que se realiza cuando se hace una corrida en “frío” de un programa

para un microcontrolador con el fin de detectar errores en el código desarrollado.

Driver. Nombre que se le da a dispositivos manejadores o controladores de otros sistemas.

Generalmente manejan la corriente o las señales que dirigen a ese otro sistema.

Dropout Voltage. Nombre que se le da a la diferencia de tensión mínima necesaria entra la

entrada de un regulador lineal y su salida regulada para garantizar el correcto funcionamiento

del dispositivo.

Flash. Tipo de memoria no volátil que puede seguir almacenando la información a pesar de no

tener fuente de alimentación.

Full-duplex. Tipo de transmisión donde el canal es empleado bidireccionalmente, se puede

escribir y leer en o del canal simultáneamente.

Half-duplex. Tipo de transmisión donde las transmisiones se realizan en ambos sentidos pero

alternativamente, un solo sentido a la vez.

Handshaking. Protocolo de saludo completo empleado en comunicaciones por bus.

Headroom. Capacidad de un amplificador para sobrepasar su potencia en cortos intervalos

para reproducir picos sin distorsionar. A menudo depende de la fuente de la alimentación

usada.

High. Término empleado para decir que una señal se encuentra en un nivel lógico alto.

Host. Se llama así al procesador que funciona como cerebro o controlador principal de un bus

o sistema.

Low. Palabra empleada para indicar que una señal lógica está en nivel bajo.

Simplex. Tipo de transmisión de datos que se produce en un solo sentido, sólo existe un

emisor y un receptor y no pueden cambiar sus funciones.

Span. Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del

instrumento.

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Switch. Dispositivo conmutador.

Transceiver. Dispositivo transmisor/receptor.

UNIDADES

A Amperio

mA mili Amperio

B Byte

KB Kilo Bytes

bps bits por segundo

Kbps Kilo bits por segundo

Mbps Mega bits por segundo

gr gramo

Hz Hertz

MHz Mega Hertz

GHz Giga Hertz

m metro

cm centímetro

mm milímetro

pF pico Faradio

V Voltio

W Vatio

mW mili Vatio

Ω ohmio

KΩΩΩΩ Kilo ohmio

° grado

K Kelvin

Pa Pascal

º C Grados Centígrados

1 INTRODUCCIÓN

El objetivo principal de este proyecto es satisfacer la necesidad de la empresa

INTEVEP de automatizar el sistema adquisición y registro de valores de temperatura y presión

provenientes de la producción en pozos petroleros. Para esto se ha diseñado y montado un

prototipo funcional que mide mediante un módulo de adquisición las señales requeridas, y

posteriormente se procede a su registro digital y almacenamiento en una memoria flash no

volátil.

El sistema posee la prestación de comunicación a través de radio frecuencia, con lo

cual ya no habrá necesidad de una constante atención en sitio para buscar información y el

equipo de optimización de producción podrá estar en constante comunicación con la estación

remota y encargarse de forma más eficiente si alguna eventualidad ocurre.

Debido a la ubicación remota donde se encontrará el dispositivo, es importante tener un

sistema de alimentación confiable que permita la correcta operación del sistema la mayor

cantidad de tiempo posible, se requiere que el sistema de alimentación dure aproximadamente

dos años. Por esta razón, es vital un buen diseño de las cargas a las cuales estará sometida la

batería que alimente la aplicación, ya que es preciso que ellas demanden la menor cantidad de

energía posible.

En el presente trabajo de grado se expondrán los criterios de diseño y cálculos

realizados para la fabricación del prototipo. Además, se explicará de forma detallada cada uno

de los bloques que constituyen el sistema, así como los resultados, análisis y recomendaciones

de las pruebas realizadas.

2

1.1 Definición del problema

1.2 Justificación

Tradicionalmente en la industria petrolera nacional, para conocer las presiones de

inyección y producción en pozos que utilizan Levantamiento Artificial por Gas (LAG) como

método de producción, se usan sensores de presión neumáticos, los cuales captan la señal de

presión por medio de un dispositivo mecánico, y se registra mediante plumillas con tinta, en

un disco de papel que gira una vuelta por día o una por semana.

Este sistema de adquisición de datos actual lleva consigo asociado las siguientes

desventajas:

-Carencia de energía eléctrica en los pozos.

-Uso de sensores neumáticos de baja precisión y pérdida de calibración.

-Inexistencia de un sistema de comunicación con los pozos de LAG.

-Requiere de constante atención en sitio para buscar información y mantenimiento de

discos.

-Operación y toma de decisiones a ciegas por parte del equipo de optimización de

producción.

Para solventar estas desventajas, Intevep ha solicitado a la empresa Seebeck,

reemplazar estos registradores mecánicos por registradores electrónicos de presión y

temperatura más compactos y de fabricación nacional.

1.3 Objetivo general

El objetivo general del proyecto consiste en lograr el diseño e implementación de un

registrador electrónico de los parámetros físicos: presión y temperatura y su comunicación con

una estación remota.

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1.4 Objetivos específicos

- Diseño de la arquitectura del sistema registrador de parámetros físicos.

- Diseño e implementación de la electrónica de adaptación de las señales provenientes de

los sensores.

- Integración de la electrónica de adaptación con el módulo principal.

- Implementación de los algoritmos de adquisición y registro de datos.

- Diseño e implementación de la comunicación con el sistema SCADA.

- Diseño del PCB del modulo de adaptación y acondicionamiento de las señales.

1.5 Alcance y Limitaciones

Alcance:

- Elaboración de un prototipo funcional del registrador electrónico.

- Diseño, fabricación y montaje de la electrónica de adaptación y acondicionamiento de

las señales provenientes de los sensores.

- Integración de los distintos módulos que componen el registrador electrónico.

- Documentación del registrador electrónico.

Limitaciones:

El proyecto se vio limitado en cuanto a la disponibilidad de dispositivos en el territorio

Nacional, por lo tanto se realizó la procura y compra de dispositivos se realizó en el

extranjero, tardando cierto tiempo en llegar al país y luego en las aduanas.

2 MARCO TEÓRICO

2.1 Pozos con uso de Levantamiento Artificial por Gas

Una vez realizada la perforación, el pozo está en condiciones de producir. En este

momento puede ocurrir que el pozo sea puesto en funcionamiento por “surgencia natural”

(produce sin necesidad de ayuda), lo cual, no ocurre en la mayoría de las perforaciones. Por lo

tanto, para proseguir con la extracción de los fluidos de un yacimiento –petróleo, gas, agua-

se procede a la utilización de métodos artificiales de bombeo.

2.1.1 Definición El Levantamiento Artificial por Gas (LAG) es un método artificial de bombeo. Este

opera mediante la inyección continua de gas a alta presión en la columna de los fluidos de

producción, con el objeto de disminuir la densidad del fluido producido y reducir el peso de la

columna hidrostática sobre la formación, obteniéndose así, un diferencial de presión entre el

yacimiento y el pozo el cual permite que éste fluya adecuadamente.

2.1.2 Constitución

Una instalación de LAG consta básicamente de: la sarta de producción y el equipo

asociado, (constituyen arreglos de tubulares y equipos de fondo cuyo objetivo primordial es

conducir los fluidos desde la boca de las perforaciones hasta la superficie) la línea de flujo, el

separador, los equipos de medición y control, la planta compresora o fuente de gas de

levantamiento de alta presión y las líneas de distribución del gas.

El equipo de producción consiste en una o varias piezas tubulares denominadas

mandriles, las cuales se insertan o enroscan a una válvula de levantamiento, a través de la cual

pasa el gas destinado a levantar el fluido de producción.

El equipo de subsuelo representa la base para el funcionamiento del LAG, y está

constituido principalmente por las válvulas de LAG y los mandriles. Las válvulas de LAG

tienen como función permitir la inyección a alta presión del gas que se encuentra en el espacio

anular.

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Este tipo de Método de Levantamiento Artificial permite manejar grandes volúmenes

de producción, incluyendo la producción de agua y sedimentos. Además cuenta con la

flexibilidad de distribuir gas a varios pozos con una sola planta de compresión, y de recuperar

las válvulas con guaya fina o tubería.

Figura 1 El levantamiento por gas consiste en inyectar gas dentro del pozo en el espacio entre el casing y el tubing.

2.1.2 Variables a medir en el sistema En un sistema que utilice este método de producción, es necesario como instrumento

de control poder medir las siguientes variables:

- Presión de cabezal de tubería (THP): la cual permite ver el patrón de producción,

observando la presión en el separador. Con ésta se puede determinar si hay obstrucción en

la línea de flujo.

- Presión de inyección en casing (CHP): la cual determina el comportamiento de la válvula

de gas-lift (ver Figura 2 ).

- Presión de línea de producción (PLP): la cual se emplea para pozos de flujos natural y evita

que colapse la formación. En choques, permite saber si el flujo es crítico o sub-crítico.

- Temperatura de pozo: la cual permite evaluar si hubo escape de gas en la línea.

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Figura 2 Cabezal de pozo produciendo a través de levantamiento artificial por gas.

2.2 Sistema SCADA

SCADA viene de las siglas Supervisory Control and Data Acquisition, lo cual significa

en español, Control supervisor y adquisición de datos.

2.2.1 Definición Se refiere a un sistema central que monitorea y controla a gran distancia (kilómetros /

millas) un sistema de cualquier tipo. La mayor parte del control es realizada automáticamente

por una Unidad Terminal Remota (UTR ó RTU en inglés) o por un Controlador Lógico

Programable (PLC). Las funciones de control del servidor están casi siempre restringidas a

reajustes básicos del sitio o capacidades de nivel de supervisión. Por ejemplo un PLC puede

controlar el flujo de agua fría a través de un proceso, pero un sistema SCADA puede

permitirle a un operador cambiar el punto de consigna (set point) de control para el flujo, y

permitir grabar y mostrar cualquier condición de alarma, como por ejemplo la pérdida de flujo

o una alta temperatura. La realimentación del lazo de control es cerrado, a través de la UTR o

del PLC. La función del sistema SCADA en este caso, es monitorear el desempeño general de

dicho lazo.

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2.2.2 Componentes del sistema SCADA 1. Múltiples Unidades de Terminal Remota (también conocida como UTR o RTU,

Estaciones Externas) y controladores.

2. Estación Maestra y Computador con HMI.

3. Infraestructura de Comunicación.

2.2.3 Funciones básicas 1. Recabar, almacenar y mostrar información, en forma continua y confiable,

correspondiente a la señalización de campo: estados de dispositivos, mediciones,

alarmas, etc.

2. Ejecutar acciones de control iniciadas por el operador, tales como: abrir o cerrar

válvulas, arrancar o parar bombas, etc.

3. Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se

consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria

de la planta (eventos). Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior

análisis.

4. Aplicaciones en general, basadas en la información obtenida por el sistema, tales

como: reportes, gráficos de tendencia, historia de variables, cálculos, predicciones,

detección de fugas, etc.

2.3 Sistema de Adquisición

Un Sistema de Adquisición de Datos (SAD) no es mas que una etapa modular

compuesta por equipos electrónicos, cuya función es el control o simplemente el registro de

una o varias variables de un proceso cualquiera. En general constan de los siguientes

elementos básicos:

1. Los sensores que convierten un fenómeno físico en una magnitud eléctrica.

2. Un bloque acondicionador que realiza el acondicionamiento para aislar, filtrar,

convertir y/o amplificar la señal.

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3. Un sistema de procesamiento que realiza operaciones con los datos (información

digital) con objeto de transformarlos en información útil.

2.3.1 Sensores

Un sensor es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal

eléctrica, mientras que un transductor es un convertidor de un tipo de energía en otro. En la

práctica, sin embargo, es común que los términos sean usados de modo intercambiable.

Los sensores y sus circuitos asociados son usados para medir varias propiedades físicas

como temperatura, fuerza, presión, fluido, posición, intensidad, entre otros. Estas propiedades

actúan como el estímulo para el sensor, y la salida de éste es posteriormente acondicionada y

procesada para proporcionar la medición correspondiente de la propiedad física.

2.3.1.1 Temperatura

2.3.1.1.1 Definición

La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en un

sistema. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de temperatura es el Kelvin.

Sin embargo, está muy generalizado el uso de otras escalas de temperatura, concretamente la

escala Celsius (o Centígrada), y, en los países anglosajones, es frecuente el uso de la escala

Fahrenheit.

2.3.1.1.2 Tipos de instrumentos Los instrumentos de temperatura basan su funcionamiento en diversos fenómenos que

ocurren debido a variaciones de dicho parámetro físico, entre ellos están:

a) Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases);

b) Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia);

c) Variación de resistencia de un semiconductor (termistores);

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d) f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares);

e) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación);

f) Otros fenómenos como velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de

un cristal, entre otros.

Los tres tipos de instrumentos (sensores de contacto) utilizados con más frecuencia

para aplicaciones industriales son los termopares (o termocuplas), los termistores y los

termómetros de resistencia, también llamados RTD.

2.3.1.1.2.1 Termopares o termocuplas

Definición

La termocupla es una de las formas más comunes para medir temperatura. Esta se basa

en el efecto descubierto por Seebeck en 1821.

Dicho efecto consiste en la circulación de una corriente en un circuito formado por dos

metales diferentes, cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se

mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos

termoeléctricos combinados, el efecto Peltier, que provoca la liberación o absorción de calor

cuando una corriente circula a través de la unión de dos metales distintos, y el efecto

Thomson, que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a

través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperatura.

Principio básico de funcionamiento

Con el propósito de ilustrar el principio básico de funcionamiento de la termocupla se

explica a continuación los formatos mostrados en la Figura 3.

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Figura 3 Principios básicos de las Termocuplas.

Al unir dos metales distintos, A y B, a cualquier temperatura por encima del cero

absoluto, habrá una diferencia de potencial entre ellos, es decir, su "f.e.m. termoeléctrica" o "

potencial de contacto", V1. Este voltaje es proporcional a la temperatura de la unión de

medida, T1, como se puede notar en la Figura 3 A.

Al unir dos alambres de metal, uno A con otro B en dos sitios, se formarán dos uniones

de medida, T1 y T2 (Figura 3 B). Si las dos uniones están en temperaturas diferentes, habrá

una f.e.m. en el circuito, y una corriente I fluirá, la cual estará determinada por la f.e.m, V1 -

V2, y la resistencia total R en el circuito.

Al abrir el circuito como en la Figura 3 C, el voltaje a través de la ruptura será igual a

la f.e.m termoeléctrica del circuito; y al medir este voltaje, se podrá calcular la diferencia de

temperaturas entre las dos uniones. Se debe recordar que un termopar siempre mide la

diferencia de temperaturas entre dos uniones, no la temperatura absoluta en una unión. Sólo

podemos medir la temperatura en la unión de medida si sabemos la temperatura de la otra. De

aquí se deriva el origen de los términos de unión de "referencia" o "fría".

Sin embargo, cabe destacar, no es tan fácil medir sólo el voltaje generado por un

termopar. Cualquier alambre atado a un termopar es también un termopar por sí mismo, y si

no se toman ciertas precauciones, una serie de errores pueden ser introducidos. Por ejemplo, al

atar un voltímetro al circuito de la Figura 3 C, como se muestra en Figura 3D; los alambres del

voltímetro formarán uniones de termopar adicionales donde ellos son atados (T3, T4). Si

ambas uniones adicionales están a la misma temperatura (no importa exactamente a que

11

temperatura), entonces según "la Ley de Metales Intermedios" ellos no aportarán ninguna

contribución a la f.e.m. total del sistema. En cambio, si ellos están a temperaturas diferentes se

introducirán errores.

Características

Las termocuplas son por lo general bastante pequeñas, relativamente baratas, y en

comparación con todos los sensores de temperatura de contacto, son los que poseen el rango

más amplio de operación.

Estas son especialmente útiles para realizar mediciones en temperaturas

extremadamente altas (por encima de los +2300º C), y en ambientes hostiles. Los metales

comúnmente utilizados para la creación de termocuplas son: hierro, platino, tungsteno, cobre,

alumel (formado de níquel y aluminio), chromel (formado de níquel y cromo) y constantan

(formado de cobre y níquel).

Tipos de Termocuplas

La Figura 4 muestra la característica Temperatura vs. Voltaje para tres termopares

comúnmente usados, los tipo J, K y S, con la unión fría referenciada a una temperatura fija de

0º C. Como se observa en la Figura 4, de éstos, los termopares tipo J son los más sensibles,

produciendo el voltaje de salida más alto para un cambio de temperatura dado, pero sobre una

envergadura de temperatura relativamente estrecha. Por otra parte, los termopares tipo S son

los menos sensibles, pero pueden funcionar sobre un rango de temperatura mucho más amplio.

12

Figura 4 Característica Voltaje de salida vs. Temperatura de termopares tipo J, K y S.

La Figura 5 muestra como el coeficiente Seebeck de la termocupla varía con respecto

a la temperatura en la unión del sensor. El coeficiente Seebeck es el cambio del voltaje de

salida con respecto al cambio de la temperatura en la unión del sensor (es decir, la primera

derivada de la salida con respecto a la temperatura).

Figura 5 Curva del coeficiente Seebeck de termocuplas tipo J, K y S vs. Temperatura.

Un termopar lineal ideal tendría un coeficiente Seebeck constante frente a variaciones

de temperatura, pero en la práctica todos los termopares son no lineales en algún grado. Por lo

tanto, al seleccionar una termocupla para una medición en un rango particular de temperatura,

se debería elegir una cuyo coeficiente Seebeck varíe lo menos posible sobre el rango de

13

temperatura deseado. Por ejemplo, un termopar tipo J tiene un coeficiente Seebeck nominal de

55 µ V / ° C, que varía en menos de 1 µ V / ° C entre 200° C y 500° C, haciéndolo un “sensor

ideal” para mediciones en dicho rango de temperatura (ver Figura 5).

2.3.1.1.2.2 RTD (Resistance Temperature Detector)

Definición

La RTD ó Detectores de Temperatura mediante resistencia (Resistance Temperature

Detector), es un sensor que basa su funcionamiento en la variación de resistencia debida a

cambios de temperatura en el medio donde ésta se encuentre. El elemento consiste usualmente

en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado, bobinado entre capas de

material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica.

El material del conductor se caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de

resistencia”, que expresa a una temperatura específica la variación de la resistencia del

conductor en ohmnios, por cada grado que cambia su temperatura.

Dado que las RTD varían con la temperatura, es necesario conocer la ley que persigue

dicha variación, para adaptar posteriormente los circuitos de medición a la sonda que se use.

Esta ley no es perfectamente lineal y quedará expresada de la siguiente manera:

Ecuación 1

[ ]32 )100(1 ttCBtAtRR ot −+++∗= , válido de -200 a 0º C

O bien

Ecuación 2

( )21 BtAtRR ot ++∗= , válido de 0 a 850º C

No obstante, y a fines prácticos, se suele reducir a la expresión siguiente dado que el

error que se tiene al no tener en cuenta a la constante B, es pequeño:

14

Ecuación 3

( )AtRR ot += 1

Siendo:

Ro= la resistencia en ohmnios a 0º C

Rt= resistencia en ohmnios a Tº C.

Α= coeficiente de temperatura de la resistencia

Materiales de Fabricación

Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes

características:

1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el

instrumento de medida será muy sensible.

2. Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada,

mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad).

3. Relación lineal resistencia-temperatura.

4. Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar efectivamente los procesos de

fabricación de arrollamiento del conductor a las bobinas de la sonda, a fin de

obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta).

5. Estabilidad de las características durante la vida útil del material.

Las RTD’s pueden ser fabricadas a bajo costo con materiales tales como: cobre y

níquel, sin embargo, nos veremos sometidos a restricciones en el rango de temperatura, debido

a la no linealidad que estás presentarán, además de problemas de oxidación en los cables en el

caso del cobre.

El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y

estabilidad, debido a su alto coeficiente de temperatura de la resistencia, pero presenta el

inconveniente de su costo. En general, la sonda de resistencia de platino utilizada en la

industria, tiene una resistencia de 100 ohmnios a 0º C y son llamadas PRTs o Pt100 para

distinguirlas.

15

El níquel es más barato que el platino y posee una resistencia más elevada con una

mayor variación por grado, sin embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su

relación resistencia-temperatura y las variaciones que experimenta su coeficiente de

resistencia según los lotes fabricados.

El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene el

inconveniente de su baja resistividad. En la Tabla 2 se muestran las características de RTD’s

fabricadas con Platino, Níquel y Cobre.

Metal

Resistividad µΩ /cm

Coeficiente de temperatura Ω / Ω , ºC

Intervalo útil de

temperatura Costo

Relativo R a 0º C en

Ohms Precisión en º C

Platino 9,83 0,00385 -200 a 950 Alto 25,100,130 0,01

Níquel 6,38 0,0063 a 0,0066 -150 a 300 Medio 100 0,5

Cobre 1,56 0,00425 -200 a 120 Bajo 10 0,1

Tabla 1 Características de RTD’s fabricadas con Platino, Níquel y Cobre

Estándares

Se han definido varios estándares para las PRT’s, entre ellos están:

• La curva de referencia ITS-90, el cual posee un coeficiente de temperatura de la

resistencia de α = 0.00393 con una resistencia de 100 Ohm a 0.01º C.

• El Estándar IPTS-68 (1-100), el cual posee un coeficiente de temperatura de la

resistencia de α = 0.00392 con una resistencia de 100 Ohm a 0º C.

• El Estándar (11-100), el cual posee un coeficiente de temperatura de la


• La especificación Canadiense, el cual posee un coeficiente de temperatura de la


• De la German Industrial Standards Organization (DIN) tenemos el estándar

DIN IEC 751 reference platinum precision resistance thermometer, el cual

posee un coeficiente de temperatura de la resistencia de α = 0.00385 con una

resistencia de 100 Ohm a 0º C.

16

Dependiendo del estándar con el que son construidas las Pt100, se obtienen diversas

tablas y coeficientes para las ecuaciones 2 y 3 anteriormente expuestas. A partir de Tabla 10

hasta la Tabla 29 ubicada en la sección de anexos, se muestran los valores de resistencia de las

sondas Pt 100 para cada valor de temperatura incluido en el rango de 0 – 350º C.

Métodos de conexión para evitar errores

Los cables usados para conectar la RTD a la lectura de salida, pueden contribuir a

sumar errores en la medición, especialmente cuando están involucradas largas longitudes de

cables como sucede con frecuencia en mediciones remotas de temperatura. Existen diseños de

conexión, llamados de 3-hilos y 4-hilos para ayudar a minimizar o limitar tales errores cuando

es necesario.

Montaje de dos hilos

En el montaje de dos hilos (ver Figura 6 A), la sonda de resistencia se conecta a uno

de los brazos del puente y se varia R3 hasta que se anule la desviación del galvanómetro. En

este instante se cumple la ecuación:

Ecuación 4

x

R

R

R 2

3

1 =

De aquí se obtiene:

Ecuación 5

1

23 R

RRx ×= , como valor de la sonda de resistencia.

Es el montaje más sencillo, pero presenta el inconveniente de que la longitud de los

hilos a y b de conexión desde la sonda al puente, varían cuando cambia la temperatura, y esta

relación afecta por lo tanto la indicación. Aunque estos hilos sean de baja resistencia (gran

diámetro) y ésta sea conocida, las longitudes que puede haber en campo entre la sonda y el

panel donde esté el instrumento receptor, añade una cierta resistencia al brazo de la sonda. En

efecto, la ecuación anterior pasa a:

17

Ecuación 6

)(2

3

1

bakx

R

R

R

+×+=

donde:

x= valor de la resistencia desconocida.

k= coeficiente de resistencia por unidad de longitud

a y b= longitudes de los hilos de conexión de la sonda al puente.

El montaje de dos hilos, por lo general se emplea con resistencias moderadas del hilo

de conexión y cuando la lectura no necesita ser demasiado exacta.

Figura 6 Tipos de conexión posible para las RTD en un circuito tipo puente. Montaje de tres hilos

En el montaje de tres hilos (ver Figura 6 B) la sonda está conectada mediante tres hilos

al puente y es en la práctica el más utilizado. Al ser conectada la sonda de este modo, la

medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura, ya que esta

influye a la vez en los dos brazos adyacentes del puente. La única condición necesaria es que

la resistencia de los hilos a y b sea exactamente la misma. La ecuación correspondiente es:

Ecuación 7

Kbx

R

KaR

R

+=

+

2

3

1

18

Y como Ka=Kb, haciendo R2/R1=1, R3 puede ajustarse a un valor igual a x para que

el galvanómetro no indique tensión.

Montaje de cuatro hilos

El montaje de cuatro hilos (ver Figura 6 C) se utiliza para obtener la mayor precisión

posible en la medida. Se basa en efectuar dos mediciones de la resistencia de la sonda,

combinando las conexiones de modo tal, que la sonda pase de un brazo del puente al

adyacente. De este modo, se compensan las resistencias desiguales de los hilos de conexión, y

el valor de la resistencia equivale al promedio de los valores determinados en las dos

mediciones.

Frecuentemente el error en los brazos puede ser minimizado al colocar la RTD lo más

cerca posible de un transmisor. Los transmisores convierten la resistencia medida en una

corriente analógica que puede ser enviada a través de largas distancias mediante un cable o por

radio frecuencia RF hacia un módulo de adquisición o sistema de control.

2.3.1.1.2.3 Termistores

Definición

Los termistores son resistores sensibles a la temperatura de bajo costo, fabricados de

materiales semiconductores, con un coeficiente de temperatura positivo o negativo. Aunque

los dispositivos con coeficiente de temperatura positivo existen, los termistores más comunes

son los que poseen coeficiente de temperatura negativo, también llamados termistor NTC

(negative temperature coefficient). Son fabricados frecuentemente con óxidos de níquel,

manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros materiales.

La Figura 7 muestra la característica de Temperatura vs. Resistencia de un termistor

NTC comúnmente usado. Como se aprecia en ella, el termistor varía su resistencia eléctrica en

función de la temperatura, pero dicha variación no es lineal, sino exponencial. Cuando la

variación de resistencia es inversa a la de temperatura, se dice que el termistor es del tipo NTC

19

(negative temperature coefficient), mientras que si esta variación es directa, entonces es del

tipo PTC (positive temperature coefficient).

Figura 7 Características de resistencia de un termistor NTC con 10K Ω

Aunque el termistor sea el sensor menos lineal de los dos sensores de temperaturas

hablados, es el más sensible. La alta sensibilidad del termistor (típicamente - 44,000 ppm /° C

a 25° C) le permite detectar variaciones de temperatura en intervalos de minutos no fácilmente

observables con una RTD o un termopar.

Características

Los termistores son sensores de temperaturas baratos y muy sensibles. Sin embargo, el

coeficiente de temperatura de un termistor puede variar desde -44,000 ppm /° C a 25° C hasta

-29,000 ppm /° C a 100° C. Su no linealidad no sólo es la mayor fuente de error en mediciones

de temperaturas, sino que también esto limita aplicaciones útiles a muy estrechos rangos de

temperatura sin linealización.

Comparado con los termopares y las RTDs, los termistores son frágiles y requieren de

procedimientos de montaje cuidadosos para impedir que se dañen. Aunque el tiempo de

respuesta de un termistor sea corto debido a su pequeño tamaño, su pequeña masa termal lo

hace muy sensible a errores debido al auto calentamiento.

20

La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la

expresión:

Ecuación 8

)11

(oTT

B

ot eRR−

∗=

En donde:

Rt = Resistencia en ohmnios a la temperatura T.

Ro = Resistencia en ohmnios a la temperatura de referencia To.

B = Constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas.

To = Temperatura ambiente expresada en grados Kelvin, es decir, To = 25ºC + 273º = 298ºK.

2.3.1.1.3 Comparación de los instrumentos descritos Las termocuplas, los termistores NTC y las RTD’s son dispositivos apropiados para

medir temperatura en estaciones remotas. En la Figura 8 se muestra las curvas características

de la termocupla, la RTD y del termistor.

Figura 8 Curvas características de una termocupla, un RTD y de un termistor.

En la Tabla 2 se muestran las características, ventajas y desventajas de los tres

instrumentos descritos con anterioridad:

21

Criterio RTD Termistor Termocupla

Rango de temperatura

Amplio. Desde -200º a 850º C

De corto a Medio. Desde -73º a 260º C

Bastante amplio. Desde -184º a

2300º C

Estabilidad Buena Pobre De pobre a media

Precisión Alta,

+/- 0,01º C Media,

+/- 0,005º C Media,

(0,4º a 0,8º C)

Repetibilidad Excelente,

0,03º C De media a Buena,

(0,03º - 0,11º C) De pobre a media,

+/- 0,11º C

Sensibilidad (salida) Media Muy alta Baja

Linealidad Buena Pobre Media

Tamaño/Empaque De mediano a pequeño De pequeño a mediano De pequeño a Grande

Desventajas

- Mas caro que el termopar o la termocupla.

- Frágil -Necesita excitación.

- No lineal.

- Posee alta deriva sin Envejecer.

- Necesita excitación.

- - Menor linealidad que las RTD's.

- -Necesita compensación de la unión fría.

- - Bajo voltaje de salida.

Ventajas

- Señal de salida mayor que la del

termopar. -Mejor estabilidad.

- Medidas de precisión.

Sensibilidad y rápida respuesta.

- Bajo costo.

- Señal de salida mayor que la del termopar y que la del RTD.

- Pequeño tamaño. - Excelente sensibilidad y rápida

respuesta.

- Alta resistencia a corrosión de humedad.

- Pequeño Tamaño. - Respuesta rápida.

Tabla 2 Comparación entre RTD, el Termistor y la Termocupla. 2.3.1.2 Presión


La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área aplicada a una

superficie en dirección perpendicular hacia esa superficie. En general, la presión se mide

directamente por su equilibrio con respecto a otra fuerza conocida, que puede ser la de una

columna liquida, un resorte, un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento

que pueda sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.

La presión puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas,

kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada).

22

Los instrumentos de presión se clasifican en cuatro grupos: mecánicos, neumáticos,

electromecánicos y electrónicos. Los instrumentos de presión del tipo eléctrico comúnmente

usados son: las galgas extensométricas de resistencia y los transductores piezoeléctricos.

2.3.1.2.1.1 Galgas extensométricas

Definición

Se basan en la variación (deformación) de longitud y de diámetro, y por lo tanto de

resistencia de un conductor o un semiconductor, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia

se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión.

La unidad de medida de la deformación se expresa mediante ε (épsilon). Esta es

adimensional, y expresa la relación existente entre el incremento de longitud experimentado

por el objeto y la longitud inicial.

Ecuación 9

l

l∆=ε

Principio de Funcionamiento

La galga extensométrica es básicamente una resistencia eléctrica, donde el parámetro

variable y sujeto a medición es la resistencia de dicha galga. La variación de resistencia

depende de la deformación que sufre la galga, partiendo de la hipótesis inicial de que el sensor

experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está pegado.

La resistencia de la galga es la resistencia del hilo, que viene dada por la siguiente

ecuación:

Ecuación 10

S

lR *ρ=

En base a la Ecuación 10

Ecuación 11

S

lR

∆=∆ *ρ

Otro principio de funcionamiento de las galgas se basa en la deformación de elementos

semiconductores. Esta deformación provoca una variación, tanto en la longitud como en la

23

sección, pero de una forma más pronunciada en la resistividad ( ρ ) del semiconductor. De esta

forma:

Ecuación 12

S

lR

∆

∆∆=∆ *ρ

Este tipo de sensor semiconductor posee un factor de galga más elevado que el

constituido por hilo metálico.

Las galgas de semiconductor poseen una sensibilidad muy superior a las de hilo,

debido a que se unen dos fenómenos, el de variación de resistencia por la deformación y el

efecto piezoeléctrico (variación de la resistividad debido a la deformación del semiconductor),

sin embargo este fenómeno tiene una gran dependencia de la temperatura y obliga a

compensar los resultados térmicamente, lo cual dificulta la calibración.

Materiales

Cuando seleccionamos una galga extensométrica, no solo se debe considerar las

características de tensión del sensor, sino también su estabilidad y la sensibilidad a la

temperatura. Desafortunadamente los materiales para galga más deseables son muy sensibles a

las variaciones de temperaturas y tienden a cambiar su resistencia con el tiempo.

Cada material del cable de la galga extensométrica tiene sus propias características:

factor de galga, resistencia, coeficiente de temperatura, coeficiente térmico de resistividad y

estabilidad. Entre los materiales típicos se incluyen Constantan (aleación cobre-níquel),

Nichrome V (aleación níquel-cromo), aleaciones de platino (usualmente tung-steno), Isolastic

(aleación níquel-hierro), o cables con aleaciones del tipo Karma (aleaciones níquel-cromo),

hojas metálicas o materiales semiconductores. La aleación mas popular usada para galgas

extensométricas es la aleación cobre-níquel y la níquel-cromo.

Ventajas y Desventajas

Las galgas extensométricas tienen una respuesta frecuencial excelente y pueden

utilizarse en mediciones estáticas y dinámicas. Presentan una compensación de temperatura

relativamente fácil y generalmente no son influidas por campos magnéticos. Las galgas de hilo

24

metálico poseen las siguientes desventajas: señal de salida débil, pequeño movimiento de la

galga, alta sensibilidad a vibraciones y estabilidad dudosa a lo largo del tiempo de

funcionamiento.

Mientras mas altas sean la unidad de resistencia y la sensibilidad de los sensores

semiconductores, definitivamente son más ventajosas. Estos tienen factores de galga y una

sensibilidad de 50 y 100 veces respectivamente más de la de los cables metálicos u hojas

metálicas para galgas extensométricas.

La gran sensibilidad de las galgas semiconductoras a las variaciones de temperatura y

la tendencia a deriva son desventajas en comparación de los sensores de hoja metálica.

Además, posee la desventaja de no presentar linealidad en la relación resistencia-presión.

En resumen, la galga ideal para tensión debe ser pequeña en tamaño y masa, de bajo

costo, fácil de colocar y de alta sensibilidad a la tensión pero insensible a las variaciones de la

temperatura ambiental.

2.3.1.2.1.2 Transductores piezoeléctricos

Efecto Piezoeléctrico

En 1880, Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar presión a un cristal de

cuarzo se establecían cargas eléctricas en este. Ellos llamaron a este fenómeno “el efecto

piezoeléctrico”.

Mas tarde, ellos verificaron que un campo eléctrico aplicado al cristal proporcionaba

una deformación al mismo. Por tanto, los materiales piezoeléctricos pueden ser utilizados para

convertir energía eléctrica en energía mecánica y viceversa.

Un actuador piezoeléctrico es un dispositivo que produce movimiento

(desplazamiento) aprovechando el fenómeno físico de la piezoelectricidad. En la Figura 9, se

muestra una representación de transductor piezoeléctrico.

25

Figura 9 Transductor piezoeléctrico.

Principio de Funcionamiento

Algunos elementos cristalinos como el cuarzo, la turmalina u otros materiales

sintéticos, poseen la propiedad de adquirir una polarización en la dirección de los

denominados ejes eléctricos cuando se les somete a un esfuerzo, y se deforman según la

dirección de los llamados ejes mecánicos. El fenómeno se debe al desplazamiento que sufre el

centro de gravedad de las cargas, generando un dipolo eléctrico. Esta propiedad se aprovecha

para construir sensores de deformación o de medida indirecta de esfuerzos, utilizando ya sea la

carga eléctrica que se produce o la frecuencia de oscilación.

Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de

bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150° C en servicio continuo y de 230° C

en servicio intermitente.

Ventajas y Desventajas

Los transductores piezoeléctricos son elementos ligeros, de pequeño tamaño y de

construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son

adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un

millón de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios en la

temperatura, de experimentar deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias en caso de

fuerte choque. Además, su señal de salida es relativamente débil por lo que se necesitan

amplificadores y acondicionadores de señal.

26

Entre las principales ventajas de un actuador piezoeléctrico tenemos:

- Puede producir cambios de posición extremadamente finos, por debajo del rango

del nanómetro. Los pequeños cambios en el voltaje son convertidos en suaves

movimientos.

- Puede generar una fuerza de varios miles de Newton.

- Ofrecen el más rápido tiempo de respuesta disponible (microsegundos).

- No producen campos magnéticos ni son afectados por estos. Son especialmente

apropiados para aplicaciones donde los campos magnéticos no pueden tolerarse.

- El efecto piezoeléctrico convierte directamente energía eléctrica en movimiento

absorbiendo energía solo durante éste. Durante el tiempo de reposo, aun

sosteniendo cargas pesadas, no se consume potencia.

- Son elementos que no necesitan ningún lubricante y no muestran desgaste ni

abrasión. Esto los hace compatibles con espacios limpios e idealmente apropiados

para aplicaciones de Ultra Alto Vacío.

- Se basa en campos eléctricos y funciona hasta casi 0 grados kelvin.

2.4 Sistema de acondicionamiento

Las salidas a escala completa de la mayoría de los sensores son voltajes, corrientes, o

cambios de resistencia relativamente pequeños, y por lo tanto sus salidas deben ser

apropiadamente condicionadas antes de ser procesadas. Debido a esto, se ha desarrollado una

etapa llamada circuito de acondicionamiento de la señal.

2.4.1 Amplificador Instrumental (AI)

Los amplificadores de instrumentación incrementan voltajes diferenciales pequeños en

presencia de voltajes grandes de común-modo, mientras que ofrecen una alta impedancia de

entrada. Esta característica los ha hecho atractivos a una variedad de usos, tales como

interfaces para puentes de galgas extensométricas en aplicaciones de medición de presión y

temperatura, termopares que midan temperatura, entre otros.

27

2.4.1.1 Definición

Un AI es un bloque de ganancia de precisión a lazo cerrado. Éste posee un par de

terminales de entrada diferenciales y una salida simple que trabaja con respecto a una

referencia o terminal común, como se muestra en la Figura 10. Las impedancias de entrada

son equilibradas y poseen un valor altor, típicamente Ω≥ 910 . A diferencia de un AO, un AI

usa una red de realimentación de resistencias internas, más una resistencia (por lo general),

que fija el rango de ganancia, RG. Adicionalmente, en contraste a un AO, la red de

realimentación de resistencias internas y RG son aislados de los terminales de entrada de la

señal.

Figura 10 Esquema general de un amplificador instrumental.

2.4.1.2 Configuraciones de los amplificadores instrumentales

El circuito de un amplificador diferencial simple descrito anteriormente es

completamente útil (sobre todo a frecuencias altas), pero carece del comportamiento requerido

por la mayoría de las aplicaciones industriales de precisión. Por esta razón se han desarrollado

varias configuraciones de AI con las características adecuadas.

Con dos Amplificadores Operacionales

El circuito mostrado en la Figura 11 es conocido como el AI de dos-AO (amplificador

instrumental con dos amplificadores operacionales).

28

Figura 11 Configuración usando dos AO.

La ganancia del AI puede ser fijada fácilmente con una resistencia externa, RG. Sin

RG, la ganancia es simplemente 1 + R2/R1. En la práctica, la relación R2/R1 es elegida para

establecer la ganancia mínima deseada para el amplificador instrumental.

La impedancia de entrada del AI de 2-AO es intrínsecamente alta, permitiendo que la

impedancia de la fuente pueda ser alta. El rechazo de modo común dc es limitado por la

correspondencia entre las relaciones R1/R2 y '2/'1 RR , si hay una falta de armonía en

cualquiera de las cuatro resistencias, el rechazo de modo común dc queda limitado a [1]:

Ecuación 13

−≤

ENCIACORRESPONDNO

GAINCMR

%100*

log*20

Una de las principales desventajas de esta configuración de AI 2-AO, es que debe

haber un compromiso entre el rango del voltaje de entrada en modo común y la ganancia. El

amplificador A1 debe incrementar la señal en V1 por 1 + R1/R2. Si R1>> R2 (un ejemplo de

baja ganancia, ver Figura 11), A1 se saturará si la señal de modo común V1 es demasiado

alta, sin dejarle headroom a A1 para que pueda amplificar la señal diferencial querida. Para

ganancias altas (R1 <<R2), hay proporcionalmente más headroom en el nodo "A",

permitiendo voltajes de entrada de modo común más grandes [2].

29

El rechazo de modo común ac de esta configuración es generalmente pobre porque el

camino de señal de V1 a VOUT tiene el cambio de fase adicional de A1. Además, los dos

amplificadores funcionan en lazos de ganancias cerrados diferentes lo cual implica que

trabajan a diferentes anchos de banda. El uso de un pequeño condensador "C" como mostrado

en la Figura 11 puede mejorar en algo el CMR ac.

Con tres Amplificadores Operacionales

Una segunda arquitectura popular de amplificadores de instrumentación está basada en

tres AO, y es la mostrada en la Figura 12. Este circuito es típicamente conocido como el AI

tres-AO.

Figura 12 Configuración del AI tres-AO.

La arquitectura de esta configuración está basada en dos etapas, la primera etapa tiene

una entrada y salida diferencial; mientras que la segunda etapa posee una entrada diferencial y

salida unipolar puesta al nivel de tensión de referencia que se desee.

La Resistencia RG, fija la ganancia total de este amplificador. En esta configuración, el

CMR depende de la correspondencia entre las relaciones R3/R2 y R3'/R2'. Además, las

señales de modo común son sólo amplificadas por un factor de 1, sin tener en cuenta la

ganancia.

A consecuencia de la alta relación entre la ganancia de modo común y la diferencial

entre A1-A2, el CMR de este AI teóricamente aumenta en proporción a la ganancia. Debido a

la simetría de esta configuración, los errores de modo común a la entrada de los

amplificadores, tienden a ser anulados por la etapa de salida del diferencial. Estos rasgos

30

explican la popularidad de esta configuración de AI 3-AO, la cual es capaz de ofrecer un muy

alto desempeño.

Simplificando el análisis del circuito se podría decir, que un AI es la conexión de un

Amplificador aislado que comprende dos operacionales AO1 y AO2 con sus dos resistencias

fijas (R1 y R1’) y una variable RG, unido al amplificador básico, AO3 con sus cuatro

resistencias iguales que permiten obtener una ganancia unitaria. La resistencia RG de usa

únicamente para establecer la ganancia del sistema según la ecuación:

Ecuación 14

)12( VVGVo −= ;

Donde G es la ganancia diferencial, y V2 y V1 son, respectivamente los voltajes de

entrada positivo y negativo con respecto al terminal de tierra. El término de ganancia (G)

expresado en función de sus resistencias es:

Ecuación 15

[ ] [ ]'2/'3*/)'11(1 RRRGRRG ++=

La tensión de salida Vo se puede expresar como:

Ecuación 16

+=

C

D

CDDo

G

GV

VGV *

En la actualidad hay muchos circuitos integrados y versiones modulares de la

configuración clásica de tres-AO y de la dos-AO disponibles en un solo capsulado (ver [3] y

[4]). Se ha popularizado el uso de estas configuraciones en IC, debido a la excelente

correspondencia entre los tres AOs y entre la relación de sus resistencias internas, las cuales

proporcionan una exactitud en la ganancia del AI a mucho menor costo que lo alcanzado con

el uso de AO de precisión y lazos de resistencias discretos.

31

2.4.2 Circuitos tipo puente

Un método simple para medir resistencia es forzar una corriente constante por el sensor

resistivo, y medir la salida de voltaje. Este procedimiento requiere, tanto de una fuente de

corriente exacta, como de un sistema exacto para la medición del voltaje. Cualquier cambio

producto de la fuente de corriente será interpretado como un cambio de resistencia. Además, la

potencia disipada por el sensor resistivo debe ser pequeña y de acuerdo con las

recomendaciones del fabricante, de modo que el auto calentamiento no produzca errores.

Como consiguiente, la corriente manejada por la fuente debe ser pequeña.

El circuito ilustrado en la Figura 13 es el conocido puente de Wheatstone básico

(realmente desarrollado por S. H. Christie en 1833). Consiste de cuatro resistencias conectadas

para formar un cuadrilátero, en una de sus diagonales se ubicará una fuente de voltaje BV o,

alternativamente, una fuente de corriente, y en la otra diagonal estará un detector de voltaje

(Ver Figura 13). El detector mide la diferencia entre las salidas de los dos divisores de voltaje

conectados a la fuente de excitación, BV . La forma general del voltaje de salida del puente OV

es dada en la Figura 13.

Figura 13 Puente de Wheatstone básico.

La mayoría de las aplicaciones con sensores emplean puentes, sin embargo, la

desviación del valor inicial de una o más resistencias en un puente, es tomado como una

variación en la magnitud de la variable que está siendo medida. En estos casos, el cambio de

voltaje de salida es una indicación del cambio de resistencia, lo cual es un error. Es común

32

que los cambios de resistencia sean muy pequeños, por lo tanto, el cambio de voltaje de salida

puede ser tan pequeño como decenas de mV inclusive con el uso de una fuente de excitación

de hasta BV = 10 V (típico en aplicaciones de celdas de carga).

En muchas aplicaciones con uso de un puente, puede no haber solo un elemento

variable, sino dos, o hasta los cuatro elementos, podrían variar. La Figura 14 muestra una

familia de cuatro puentes conducidos por voltaje, comúnmente usados y apropiados para

aplicaciones con sensores. En los cuatro casos las ecuaciones correspondientes para VO,

relacionan la salida de puente con el voltaje (constante) de la fuente y con los valores de las

resistencias del puente.

Figura 14 La sensibilidad y la linealidad del OV del puente alimentado por voltaje difiere para

cada configuración dependiendo del número de elementos activos.

En todos los casos asumimos un voltaje constante para VB. Es fácil notar a partir de las

ecuaciones dadas en la Figura 14, que la salida del puente es siempre directamente

proporcional a VB, por lo tanto, la precisión de las mediciones realizadas no será mejor que la

precisión de la fuente de alimentación utilizada. En cada caso, el valor de la resistencia fija del

puente, “R”, es escogida del mismo valor que el valor nominal de la resistencia(s) variable. Se

asume que la desviación de la resistencia(s) variable sobre el valor nominal será proporcional

al fenómeno físico medido, ya sea tensión (en caso de una galga extensométrica), o

temperatura (en el caso de una RTD).

33

La sensibilidad de un puente es el cociente de la relación entre el voltaje de salida a

escala completa y el voltaje entregado por la fuente de alimentación. Por ejemplo, si VB = 10

V, y la salida del puente a escala completa es 10mV, entonces la sensibilidad es 1mV/V. Para

los cuatro casos de la Figura 14, se puede decir que la sensibilidad aumenta mientras más sean

los elementos variables (aumenta de izquierda a derecha en la Figura 14).

La configuración mostrada en la Figura 14 A, donde un único elemento varía, es la

más apropiada para la medición de temperatura usando RTDs o termocuplas, esta

configuración también es usada con galgas extensométricas. Todas las resistencias tienen un

valor nominal igual, pero una de ellas (el sensor), es la variable por una cantidad ∆ R. Como

podemos notar en la ecuación mostrada en la Figura 14 A, la relación entre la salida de puente

y ∆R no es lineal. Por ejemplo, si R = 100 Ω y ∆R = 0.1 Ω (Cambio del 0.1 % de la

resistencia), la salida del puente será 2.49875 mV para VB = 10. Por lo tanto, la salida del

puente podrá estar en el rango 2.50000 mV – 2.49875 mV, es decir el error es de 0.00125 mV.

Es importante asentar, que la no linealidad de la que se ha estado hablando, se refiere a

la no linealidad del puente en sí mismo y no a la que pudiese presentar el sensor. En algunas

aplicaciones, la no linealidad de puente puede ser aceptable. Si no, hay varios métodos

disponibles para linealizar puentes. Debido a que existe una relación fija entre el cambio en las

resistencias del puente y su salida (mostrado en las ecuaciones), puede compensarse este error

a nivel de software o también pueden ser usadas ciertas técnicas circuitales.

Hay dos situaciones a considerar en el caso de un puente donde varíen dos elementos.

En el primer caso (Figura 14 B), se requiere de dos elementos idénticos que varíen en el

mismo sentido. El error en la linealidad de esta configuración, tiene un valor del 0.5 % / %, al

igual como ocurre en el caso en el que varía un solo elemento. Sin embargo, es interesante

notar que la sensibilidad es mejorada ahora por un factor de dos.

Un segundo caso del puente con variación de dos elementos, es el mostrado en la

Figura 14 C. Este puente requiere de dos elementos idénticos que varíen en sentidos

34

contrarios. Esta configuración es lineal, y además, al igual que en el primer caso donde varían

dos elementos, se tiene dos veces la sensibilidad de la configuración de la Figura 14 A.

La configuración donde todos los elementos varían mostrada en la Figura 14 D,

produce la mayor parte de señal para un cambio de resistencia dado, y es intrínsecamente

lineal. Esta es una configuración estándar en la para celdas de carga construidas con cuatro

galgas extensométricas idénticas.

Estos circuitos también pueden ser alimentados con fuentes de corrientes constantes,

como los mostrados en la Figura 15, para uno, dos o cuatro elementos activos. Como con los

puentes conducidos por voltaje, las expresiones de salida son mostradas en la figura al igual

que las sensibilidades.

La alimentación para puentes con fuentes de corrientes, son utilizadas pero no con

tanta frecuencia como lo son las alimentadas por voltaje. Sin embargo, esta es realmente

ventajosa cuando el puente está localizado remotamente de la fuente de excitación. Una

ventaja consiste en que la resistencia del cable no introduce errores en la medida. Además, es

preciso notar que con estas configuraciones alimentadas con una fuente de corriente constante,

todas las configuraciones son lineales excepto la configuración en la que varía un único

elemento, lo cual es el caso de la Figura 15 A.

Figura 15 La sensibilidad y la linealidad del OV del puente alimentado por corriente, es la

misma para todas configuraciones excepto la que posee un solo elemento activo.

35

2.4.3 Transmisor

Los transmisores son instrumentos que convierten la salida del sensor en una señal

suficientemente fuerte como para transmitirla al microcontrolador o a otro aparato receptor.

En muchas aplicaciones de control de procesos, la información es transmitida en forma

de corriente, con un span a escala completa de16 mA, y una variedad de compensación de 4 a

20 mA. La transmisión de información en forma de corriente, proporciona un grado de

inmunidad al ruido, ya que la información recibida no es afectada por caídas de voltaje en la

línea, ruido de voltaje inducido, entre otros. Al mismo tiempo, la compensación proporciona

un diferencia entre el cero (representado por 4mA) y ninguna información, debido a un

circuito abierto (flujo de corriente cero).

El XTR101 es un transmisor de dos hilos bajo el estándar de 4-20mA. El chip está

compuesto en su interior por un amplificador instrumental de alta precisión del tipo AI de dos-

AO (two-op Am In Amp), una fuente de corriente controlada por voltaje y dos fuentes de

corriente de referencia, ambas de 1mA. El esquema del chip es el mostrado en la Figura 16.

El chip opera según la siguiente teoría:

Básicamente, los amplificadores A1 y A2 (ver Figura 16) son amplificadores

instrumentales, donde A3 y Q1 (fuente de corriente controlada por voltaje) actúan como fuente

de alimentación simple para los amplificadores de instrumentación. La operación es

determinada por un laso de retroalimentación interno. El voltaje e1 (ver Figura 16) es

aplicado al pin 3, por lo tanto aparecerá en el pin 5 y lo mismo ocurrirá con e2 que es aplicada

al pin 4 y aparece en el 6. Por esto concluimos que la corriente en Rs (la cual fija el intervalo

de medida -span-) es Is= (e2 − e1)/RS = ein/RS. Esta corriente combinada con la corriente I3

forman I1. El circuito está diseñado de manera que I2 sea 19 veces I1.

A través de estas afirmaciones podemos conseguir ciertas ecuaciones que nos llevan a

obtener la función de transferencia del circuito:

Ecuación 17

ineRsvolt

ampsmAIo *)

40016.0(4 ++=

36

Figura 16 Esquemático simplificado del XTR101.

Como podemos notar al examinar la Ecuación 17 Io será 4mA cuando 012 =−= eeein

y su máximo valor será fijado en 20mA a través de una apropiada selección de Rs, basándonos

en el rango límite superior de ein. La elección de Rs se basa primordialmente en lograr la

ganancia requerida para la aplicación a diseñar y se halla por lo general a través de una

fórmula o en una hoja de datos.

2.5 Sistema de registro y almacenamiento

Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior tres

unidades funcionales: CPU, memoria y unidades de entrada y salida (E/S).

Generalmente consta de un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de

memoria RAM y ROM/EPROM/EEPROM/FLASH. Además dispone de una gran variedad de

dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico a digital, temporizadores,

37

UARTs y buses de interfaz serial especializados, como I2C y SPI. Frecuentemente, estos

dispositivos integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores

especializados.

El microcontrolador utilizado para ésta aplicación es el ATMEGA128L de ATMEL.

Este microcontrolador pertenece a la familia de microcontroladores de Advanced Reduced

Instruction Set Computing (RISC). Es un dispositivo muy versátil de 8 bits con 128 KBytes de

memoria flash. Es capaz de procesar 1MIPS por MHz permitiendo una optimización del

consumo de potencia versus la velocidad de procesamiento.

El ATMEGA128L posee ciertos módulos apropiados para la aplicación realizada,

como lo son: el convertidor analógico a digital (ADC), la unidad de transmisón/recepción

universal asíncrona/síncrona (USART) y el módulo de interfaz serial (SPI).

2.5.1 ADC

Un ADC (Analog-Digital Converter) es un dispositivo electrónico que como su

nombre lo indica convierte una señal analógica de entrada a un número digital.

La selección del ADC está basada en varios criterios del sistema, como por ejemplo la

resolución, velocidad de conversión, exigencias de alimentación, y tamaño físico. El ADC

debe tener suficientes bits para obtener la resolución requerida por la especificación de

exactitud. La fórmula para calcular la resolución de un ADC es dada en la Ecuación 18

Ecuación 18 nsolución 2Re =

Los bits binarios son los unos y los ceros usados para calcular los números binarios;

por ejemplo, un conversor con 8 estados digitales diferentes, tiene 8 bits significativos y n2 =

256 bits binarios (ver la Figura 19 ). El valor de voltaje de un solo bit, es llamado bit menos

significativo (LSB), y se calcula según la Ecuación 19.

38

Figura 17 Bits Significativos contra bits Binarios

Ecuación 19

n

FSVLSB

2=

El FSV es el voltaje en voltios a escala completa del conversor; de ahí, si un conversor

es de 12 bits, y el FSV = 10 voltios, se tendrá un LSB igual a bitmV /4414.2212/10 = . En un

ADC, un LSB es el cambio máximo de voltaje requerido a para que ocurra un cambio a la

salida de un bit, y es definido como:

Ecuación 20

)12( −=

n

FSVLSB

Hay muchas combinaciones diferentes transductor/ADC, y cada combinación tiene

exigencias diferentes. Casi cualquier transductor puede ser conectado con cualquier ADC, sin

embargo, no hay ninguna razón para esperar que el span del voltaje de salida del transductor

seleccionado corresponda perfectamente con el voltaje de entrada del ADC seleccionado; por

lo tanto, la etapa del amplificador debe encargarse de lograr la mejor correspondencia posible

entre dichos voltajes.

La etapa del amplificador amplía el span del voltaje de salida de transductor, y cambia

su nivel dc hasta que el span del voltaje de salida de transductor empareje con el span del

voltaje de entrada del ADC. Cuando los span son emparejados, la combinación transductor /

ADC consigue la exactitud máxima; cualquier otra condición sacrificaría la exactitud y/o el

rango dinámico.

39

En la Figura 18 (A), los span son iguales (3 V), pero ellos tienen un offset de 1 V. Esta

situación requiere que el nivel del voltaje de salida del sensor sea desplazado en un voltio para

que ambos span estén bien correspondidos. En la Figura 18(B), los span son desiguales (2 V y

4 V), pero no hay voltaje de descompensación (offset). Esta situación requiere que sea

amplificada la salida del sensor para poder emparejar los spans. Cuando los spans son

desiguales (2 V contra 3 V) y existe un voltaje de compensación (1 V), como es el caso en la

Figura 18(C), se requiere tanto un cambio de nivel en el voltaje de salida del sensor y como la

amplificación de este para emparejar los span.

Figura 18 Ejemplos de span que requieren corrección.

El error de cuantificación debido a la resolución finita del ADC y la no linealidad son

imperfecciones inevitables en todos los tipos de ADC. La magnitud del error de cuantificación

en el instante de muestreo está entre cero y mitad de un LSB.

2.5.2 Compilador

El compilador que se utilizó en la aplicación fue el CODEVISIONAVR 1.25.8

profesional el cual es un compilador de C, generador de programas automáticos y un

desarrollador para ambiente integrado diseñado para la familia de microcontroladores Atmel

AVR.

Este compilador implementa casi todos los elementos del lenguaje ANSI C, así como

los permitidos por la arquitectura AVR con algunas características adicionales que permiten

aprovechar las peculiaridades de la arquitectura AVR y las necesidades del sistema embebido.

40

2.5.3 RTC DS1302

El módulo RTC (reloj de tiempo real) DS1302 está compuesto por varios contadores,

los cuales llevan el tiempo a partir de una fecha y hora indicada. Éste dispositivo es capaz de

contar segundos, minutos, días del mes, mes, día de la semana y años válido hasta el 2100.

Además, ofrece la opción de desplegar la hora en formato de 24-h o de 12-h con un indicador

de AM/PM, lo cual lo hace muy versátil para el desarrollo de la aplicación.

Está diseñado para operar a muy baja potencia y retener la información de hora y fecha

en menos de 1 uWatt.

2.6 Comunicación

2.6.1 Comunicación serial

Para que un dispositivo –subsistema o módulo- pueda conectarse a un sistema, deben

existir reglas que digan cómo funciona el bus; estas reglas constituyen el protocolo de bus.

“Básicamente, un protocolo es un acuerdo entre las partes en comunicación sobre cómo se

debe llevar a cabo la comunicación” [5]. De esta manera, un protocolo constituye entonces ese

conjunto de reglas que posibilitan la transferencia de datos entre las partes de un sistema.

La comunicación serial es una forma de transportar datos con un mínimo de líneas.

Esta modalidad se introdujo con la aparición de los microcontroladores, para permitir una

comunicación con periféricos externos con el mínimo posible de líneas. Los fabricantes han

ido integrando protocolos de comunicación serial dentro de los microcontroladores. Estos

protocolos pueden ser de dos tipos: para la comunicación de circuitos electrónicos dentro de

un mismo equipo y para la comunicación entre equipos electrónicos. Entre los protocolos de

comunicación de circuitos electrónicos dentro de un mismo equipo se tienen como más

representativos el I2C, el SPI y el SCI. Mientras en la comunicación entre equipos electrónicos

se tienen el RS232, el CAN, el LIN y el USB. A continuación se explicarán los protocolos de

comunicación serial usados en la aplicación.

41

2.6.1.1 SPI

SPI significa interfaz serial periférica, por sus siglas en inglés Serial Peripheral

Interface. Es un sistema de comunicación serial entre periféricos, de bajo costo y velocidad

para comunicaciones de corta distancia, como por ejemplo, entre pequeños procesadores y sus

periféricos.

Es un sistema full-duplex, muy fácil de implementar entre dos hosts. Si se utiliza para

más de dos hosts, empieza a perder sus ventajas, en este caso el protocolo I2C funciona mejor.

Sin embargo, SPI es capaz de ofrecer tasas de transmisión mayores, pudiendo llegar a las

decenas de MHz [6].

El sistema está formado por un componente maestro y uno o más componentes

esclavos. El maestro, se define normalmente como un microcontrolador provisto de un reloj, y

los esclavos, como cualquier circuito integrado, los cuales reciben el reloj del maestro.

SPI, es una interfaz serial síncrona de cuatro hilos, la comunicación de datos se activa

mediante una señal baja, aplicada en la entrada de la línea de selección de esclavo (SS). Los

datos, se transmiten mediante tres conexiones: conexión para la entrada de datos serie (MOSI),

la de salida de datos (MISO) y la señal de reloj (SCLK). La Tabla 5 presenta un resumen de

estas señales.

Señal Descripción

SCLK Signal Clock, señal de reloj

MOSI Master Out – Slave In, maestro sale – esclavo entra

MISO Master In – Slave Out, maestro entra – esclavo sale

SS Slave Select, selección de esclavo

Tabla 3 Señales del sistema SPI.

El maestro, genera una señal de reloj y la envía a los esclavos. La línea de selección de

esclavo se utiliza para indicar con que esclavo se está intentando comunicar el maestro.

La comunicación entre el maestro y los esclavos funciona como procede:

1. El maestro pone en nivel bajo la línea de selección de esclavo del esclavo con el que

quiere interactuar. Esto indica al esclavo, que debe prepararse para iniciar la

comunicación.

42

2. El maestro, genera la señal de reloj de acuerdo con el modo SPI. Tanto el maestro como el

esclavo transmiten un bit por ciclo de reloj.

3. Después de un byte, el maestro pone la línea de selección de esclavo en nivel alto.

2.6.1.2 SCI

SCI significa interfaz de comunicación serial, por sus siglas en inglés Serial

Comunication Interface. Es un protocolo de comunicación serial asíncrono, full-duplex, que

tienen muchos microcontroladores, donde el usuario puede controlar la velocidad de

transmisión. Las señales utilizadas son RxD y TxD. Normalmente este tipo de interfaz la

incorporan los microcontroladores y los DSP (procesador digital de señal del inglés Digital

Signal Processor).

Utiliza en muchos casos una conexión directa entre dispositivos y transmite mientras

recibe, es el caso típico de la conexión entre dispositivos dentro de un mismo equipo. Pero

también puede tener que comunicar a cierta distancia pudiendo utilizar un driver a RS232, por

ejemplo.

2.6.1.3 RS232

RS232 es una interfaz que designa una norma para el intercambio serial de datos

binarios entre un DTE (equipo terminal de datos) y un DCE (equipo de terminación de circuito

de datos), aunque existen otras situaciones en las que también se utiliza la interfaz RS232. En

particular, existen ocasiones en que interesa conectar otro tipo de equipamientos, como pueden

ser computadoras. Evidentemente, en el caso de interconexión entre los mismos, se requerirá

la conexión de un DTE con otro DTE.

El RS232 consiste en un conector tipo DB-25 (de 25 pines), aunque es normal

encontrar la versión de 9 pines (DB-9). El conector DTE debe ser macho, mientras que el

conector DCE es hembra.

La interfaz RS232 está diseñada para distancias cortas, de unos 15 metros o menos, y

para velocidades de comunicación bajas, de no más de 20Kbps. A pesar de ello, muchas veces

se utiliza a mayores velocidades con un resultado aceptable. La interfaz puede trabajar en

comunicación asíncrona o síncrona y tipos de canal simplex, half-duplex o full-duplex. Las

43

líneas de handshaking de la RS232 se usan para resolver los problemas como en qué dirección

los datos deben viajar en un instante determinado.

Si un dispositivo de los que están conectados a una interfaz RS232 procesa los datos a

una velocidad menor de la que los recibe deben de conectarse las líneas handshaking que

permiten realizar un control de flujo tal que al dispositivo más lento le de tiempo de procesar

la información. Las líneas que permiten hacer este control de flujo son las líneas RTS y CTS.

Los diseñadores del estándar no concibieron estas líneas para que funcionen de este modo,

pero dada su utilidad en interfaces posteriores se incluyeron este modo de uso.

Las UART (Transmisor-Receptor Asíncrono Universal) se diseñaron para convertir las

señales que maneja el CPU y transmitirlas al exterior. Las UART deben resolver problemas

tales como la conversión de voltajes internos del DCE con respecto al DTE, gobernar las

señales de control, y realizar la transformación desde el bus de datos de señales en paralelo a

serie y viceversa. Es en la UART en donde se implementa la interfaz.

Los valores de voltaje se invierten desde los valores lógicos. Las señales se

considerarán en el estado de MARCA, (nivel lógico “1”), cuando el voltaje sea más negativo

que - 3V con respecto a la línea de tierra. Las señales se considerarán en el estado de

ESPACIO, (nivel lógico “0”), cuando el voltaje sea más positivo que +3V con respecto a la

línea de tierra. La gama de voltajes entre -3V y +3V se define como la región de transición,

donde la condición de señal no está definida. La magnitud máxima del voltaje que maneja el

driver de la interfaz es de 15V. En la práctica se utilizan +12V y -12V [7].

Para los propósitos de la RS232 estándar, una conexión es definida por un cable desde

un dispositivo al otro. Hay 25 conexiones en la especificación completa, pero es muy probable

que se encuentren menos de la mitad de éstas en una interfaz determinada. La causa es simple,

una interfaz full-duplex puede obtenerse con solamente 3 cables. Las señales del conector DB-

9 se muestran en la Figura 19 .

44

Figura 19 Asignación de pines en el conector DB-9.

2.6.1.4 I2C

I2C es un protocolo de comunicación entre circuitos integrados, lo cual viene de sus

siglas en inglés Inter-Intergrated Circuit. Consiste de dos cables, una línea de datos serial

(SDA) y una línea de reloj serial (SCL), para llevar información entre los dispositivos

conectados al bus. Cada dispositivo es reconocido por una dirección única y puede operar

como transmisor o receptor, dependiendo de la funcionalidad del mismo. Además, los

dispositivos pueden ser considerados como maestros o esclavos cuando realizan la

transferencia de datos. En la Tabla 4 se presentan las definiciones de la terminología del bus

I2C.

Término Descripción

Transmisor El dispositivo que envía los datos al bus.

Receptor El dispositivo que recibe los datos del bus.

Maestro El dispositivo que inicia una transferencia, genera la señal de

reloj y termina la transferencia.

Esclavo El dispositivo direccionado por el maestro.

Multi-maestro Más de un maestro puede intentar tener el control del bus al

mismo tiempo sin dañar los datos.

Arbitraje Procedimiento para asegurar que, si más de un maestro trata

simultáneamente de controlar el bus, a solo uno es permitido

hacerlo y el mensaje ganador no es dañado.

Sincronización Procedimiento para sincronizar la señal de reloj de dos o más

dispositivos.

Tabla 4 Definiciones de la terminología del bus I2C.

45

SDA y SLC son líneas bidireccionales, conectadas a un voltaje positivo a través de un

resistor de pull-up. Cuando el bus está libre, ambas líneas están en un nivel lógico alto. Las

etapas de salida de los dispositivos conectados al bus deben tener un drenador-abierto o

colector-abierto para poder realizar la función AND-cableada. Los datos en el bus I2C pueden

ser transferidos a una tasa de hasta 100Kbps en el modo estándar, o de hasta 400Kbps en el

modo rápido. El número de interfaces conectadas al bus es únicamente dependiente de la

capacitancia límite del bus de 400pF.

2.6.2 Comunicación inalámbrica

Los protocolos de bus descritos anteriormente dependen de un medio de transmisión

física para su implementación; ellos establecen una comunicación alámbrica. Una

comunicación inalámbrica no depende de un medio físico entre el emisor y el receptor para la

transmisión de un mensaje, se ocupa el espacio como canal de transmisión.

El término radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o RF, se

aplica a la porción menos energética del espectro electromagnético, situada entre unos 3 Hz y

unos 300 MHz. Las ondas de radiofrecuencia, al ser ondas electromagnéticas, se desplazan a

la velocidad de la luz y sin necesidad de un medio material.

2.6.2.1 Zigbee


ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de

comunicación inalámbrica, para su utilización con radios digitales de bajo consumo. Está

basado en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (WPAN). Su

objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de

datos y maximización de la vida útil de sus baterías.

2.6.2.1.2 Características de ZigBee/IEEE 802.15.4.

IEEE 802.15.4:

• Diversas bandas de trabajo: 2.4 GHz (16 Canales), 915 Mhz (10 Canales),

868 MHz (1 Canal)

46

• Tasas de transferencia: 250 Kb/s, 40 Kb/s, 20 Kb/s

• Topologías: estrella y punto-a-punto

• Métodos de acceso al canal: CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision

Avoidance)

• Bajo consumo energético

• Gran densidad de nodos por red

• Radio medio de alcance: 50 m (hasta 500 m, dependiendo del entorno).

ZigBee:

• Direccionamiento a nivel de red (16 bits)

• Soporte para enrutamiento de paquetes

• Tiene un consumo de 30mA transmitiendo y de 3uA en reposo. Este bajo consumo se

debe a que el sistema ZigBee se queda la mayor parte del tiempo dormido.

• Permite topología de malla, gracias a las posibilidades de enrutamiento

2.6.2.1.3 Tipos de dispositivos

Se definen tres tipos distintos de dispositivos ZigBee según su papel en la red:

1. Coordinador ZigBee (ZC) Debe existir uno por red. Sus funciones son las de

encargarse de controlar la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para

conectarse entre ellos.

2. Router ZigBee (ZR). Interconecta dispositivos separados en la topología de la red,

además ofrece un nivel de aplicación para la ejecución de código de usuario.

3. Dispositivo final (ZED). Posee la funcionalidad necesaria para comunicarse con su

nodo padre (el coordinador o un router), pero no puede transmitir información

destinada a otros dispositivos. Este tipo de nodo puede estar dormido la mayor parte

del tiempo, aumentando la vida media de sus baterías.

Para poder tener una red, son necesarios como mínimo dos elementos. Un coordinador

(ZC) que creará la red, le asignara el NWKID (Identificador de red, NetWork IDentifier), y

47

poseerá los mecanismos necesarios para la incorporación y eliminación de nodos en la red.

Además es necesario, como mínimo, un nodo, que puede ser ZR o ZED, con el que

comunicarse.

2.6.2.1.4 Constitución

Está compuesto por diversas capas, adecuándose al modelo OSI. Las capas básicas,

física (PHY) y de control de acceso al medio (MAC) están definidas por el estándar IEEE

802.15.4, LR-WPAN (redes inalámbricas de área personal de tasa baja, Low Rate-Wireless

Personal Area Network). Este estándar fue diseñado pensando en la sencillez de la

implementación y el bajo consumo, sin perder potencia ni posibilidades.

El estándar ZigBee amplía el estándar IEEE 802.15.4 aportando una capa de red

(NWK) que gestiona las tareas de enrutado y de mantenimiento de los nodos de la red; y un

entorno de aplicación que proporciona una subcapa de aplicación (APS) que establece una

interfaz para la capa de red, y los objetos de los dispositivos tanto de ZigBee como del

diseñador.

Figura 20 Capas del estándar Zigbee.

Así pues, los estándares IEEE 802.15.4 y ZigBee se complementan proporcionando

una pila completa de protocolos que permiten la comunicaciones entre multitud de

dispositivos de una forma eficiente y sencilla.

48

2.6.2.1.5 Comunicaciones

Los datos que se desean enviar empiezan en las capas superiores de la pila, y cada capa

añade información propia, formando los PDU (Protocol Data Unit). Por lo tanto, cuando se

envía un conjunto de datos, este contiene información de control de todas las capas de la pila.

Cuando llega a su destino, cada capa extrae los datos que le concierne y, si es posible o

necesario, pasa el resto a la capa superior. Así se produce una comunicación virtual entre

capas de diferentes dispositivos.

En la capa física: los dispositivos inalámbricos envían los datos usando ondas

electromagnéticas. En este caso se utiliza modulación por frecuencia, en el espectro de los 2.4

GHz. Tenemos disponibles 16 canales en los que transmitir (separados entre si 5 MHz). El

acceso al canal se hace utilizando CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision

Avoidance) que es un mecanismo empleado para evitar que dos dispositivos usen el mismo

canal a la vez, produciendo una colisión. Todos los dispositivos que estén en el radio de

alcance del transmisor podrán escuchar el mensaje. Pero la mayoría de las veces queremos

comunicarnos con uno solo.

Para ello, se necesita alguna manera de identificar los dispositivos dentro de la red.

Esto lo provee la capa superior: la capa MAC. Así pues, cada dispositivo posee una dirección

MAC que debe ser única, de 64 bits. Esta dirección es la que identifica el origen y el destino

de una trama dentro de la red. Cada trama debe tener un tamaño máximo de 127 bytes,

incluyendo las cabeceras MAC, que son como máximo de 25 bytes (sin utilizar seguridad).

Teniendo esto en cuenta, y considerando las dos topologías de red posibles a este nivel,

a saber estrella y punto a punto, solo podemos enviar datos a los nodos que estén dentro de

nuestro radio de alcance. Esto es muy limitado. Para solucionarlo, debemos confiar en la

siguiente capa: la capa de red (NWK, NetWorK).

Hasta ahora, todo lo visto pertenecía a las especificaciones del estándar IEEE 802.15.4.

La capa de red la aporta ZigBee. Añade una nueva dirección lógica a los dispositivos (16 bits).

Esto permite que se puedan enviar datos a otros nodos que no están dentro de la cobertura de

transmisión. Para ello es necesario contar con unos dispositivos especiales que enrutan los

49

datos a través de la red, llamados routers (que han de ser ZC o ZR). Ahora sí podría crearse

una red amplia en la que cada nodo puede comunicarse con todos los otros nodos de la misma

red. Además podemos hacer redes usando topologías diferentes, como malla.

Con las capas PHY-MAC-NWK podemos crear una red completa, permitiendo a todos

los nodos, poder comunicarse con otros nodos, de la misma o de distinta red, resolviendo

problemas como el acceso simultáneo al canal o direccionamiento lógico de nodos. Aún así,

para permitir más funcionalidad se añade una capa a la pila que interactúe entre los objetos de

la aplicación que desee usarla y la capa de red. Esta es la subcapa de Aplicación (APS,

Aplication Support sub-layer).

La capa APS es la encargada de enviar los PDUs de una aplicación entre dos o más

dispositivos (llamada APSDE, APS Data Entity) y de descubrir y enlazar los dispositivos y

mantener una base de datos de los objetos controlados, conocida como AIB (APS Information

Base). Dos dispositivos se enlazan en la AIB en función de los servicios que ofrecen y de sus

necesidades. Esto es útil para el direccionamiento indirecto. Así, es posible enviar un paquete

a un dispositivo en función de la dirección de origen, ya que están vinculados. Esta tabla solo

puede estar presente en el dispositivo coordinador o en uno designado a tal efecto.

2.6.2.2 Modbus/RTU

Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del Modelo OSI,

basado en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor, diseñado en 1979 por Modicon

para su gama de contadores lógicos programables (PLCs).

Modbus permite el control de una red de dispositivos, y comunicar los resultados a un

computador. Modbus también se usa para la conexión de un computador de supervisión con

una unidad remota (RTU) en sistemas de supervisión adquisición de datos (SCADA).

Este protocolo define una estructura de mensaje que los controladores reconocerán y

utilizarán, independientemente del tipo de red sobre la que se comuniquen. Describe el

proceso que usan los controladores para solicitar acceso a otros dispositivos, como responden

50

a solicitudes de otros dispositivos y como se detectan e informan los errores. Establece un

formato común para la disposición y contenido de los campos de mensaje.

Durante las comunicaciones en una red Modbus, el protocolo determina como cada

controlador conocerá su dirección de dispositivo, reconocerá un mensaje dirigido a él,

determina la clase de acción a tomar, y extrae los datos u otra información contenida en el

mensaje. Si se requiere una respuesta, el controlador construirá el mensaje de respuesta y lo

enviará utilizando el Protocolo Modbus.

2.6.2.2.1 Transacciones en Redes Modbus

Los puertos estándar Modbus en controladores Modicon utilizan una interfaz serial

compatible con RS-232 que define conectores, cableado, niveles de señal, velocidad de

transmisión en baudios y control de paridad.

Los controladores se comunican utilizando técnicas maestro - esclavo, en las que

solamente un dispositivo (el maestro) puede iniciar las transacciones (llamadas “consultas”).

Los otros dispositivos (esclavos) responden suministrando la información solicitada por el

maestro, o tomando la acción solicitada en la consulta.

El protocolo de Modbus establece el formato para la consulta del maestro mandando

hacia el dispositivo (o emitiendo) la dirección, un código de operación que define la acción

solicitada, alguna información adicional, y un campo de comprobación de error. El mensaje

respuesta del esclavo también se construye utilizando formato de protocolo Modbus. Contiene

campos que confirman la acción tomada, y o la información pedida, y el campo de

comprobación de error. Si ocurre un error en la recepción del mensaje, o si el esclavo es

incapaz de realizar la acción solicitada, el esclavo devuelve un mensaje de error como

respuesta.

En el nivel de mensaje, el protocolo Modbus sigue aplicando el principio maestro-

esclavo aún cuando el método de comunicación de red es punto a punto. Si un controlador

origina un mensaje, actúa como un dispositivo maestro y espera una respuesta de un

dispositivo esclavo. Igualmente, cuando un controlador recibe un mensaje construye una

51

respuesta esclava que devuelve al controlador origen del mensaje. En la Figura 25 se muestra

como sería el paquete de un ciclo de consulta/respuesta entre un maestro y un esclavo.

Figura 21 Maestro-Esclavo: Ciclo Consulta-Respuesta.

La Consulta: El código de operación en la consulta dice al dispositivo esclavo el tipo

de acción a realizar. Los bytes de información contienen toda la información adicional que el

esclavo necesita para desempeñar la función. El campo de información tiene que decirle al

esclavo en que registro empieza la petición y cuantos registros se quieren leer. El campo de

verificación de error provee un método para que el esclavo garantice la integridad del

contenido del mensaje.

La Respuesta: Si el esclavo hace una respuesta normal, el código de operación de la

respuesta es un eco del código de operación en la consulta. Los bytes de información

contienen los datos recopilados por el esclavo, como valores o estado de registros. Si se

detecta un error, el código de operación se modifica para indicar que la respuesta es un

mensaje de error y los bytes de información contienen el código que describe el error. La

verificación del campo de error permite que el maestro pueda confirmar que los contenidos de

mensaje son válidos.

2.6.2.2.2 Modos de transmisión serial

Se pueden establecer comunicaciones en redes estándar Modbus utilizando cualquiera

de estos dos modos de transmisión: ASCII o RTU. Los usuarios seleccionan el modo deseado,

52

junto con los parámetros de comunicación del puerto serial (velocidad de transmisión en

baudios, modo de paridad, etc.), durante la configuración de cada controlador. El modo y los

parámetros del puerto serial tienen que ser los mismos para todos dispositivos en una red

Modbus. En esta aplicación se utilizó Modbus con modo RTU.

Cuando los controladores se configuran para comunicarse en una red Modbus

utilizando modo RTU (Unidad de Terminal Remota), cada byte del mensaje contiene dos

caracteres hexadecimales de 4 bits. La ventaja principal de este modo es que su mayor

densidad de caracteres permite una mejor productividad de información que el modo ASCII

para la misma velocidad. Cada mensaje se transmite conjuntamente sin interrupción. El

formato de cada byte en modo RTU es [10]:

Característica Descripción

Sistema de Codificación ⋅ 8 bits binarios, hexadecimal, 0-9, A-F.

⋅ 2 caracteres hexadecimales en cada campo de 8 bits

del mensaje.

Bits por Byte ⋅ 1 bit de inicio

⋅ 8 bits de datos (el bit menos significativo se envía de

primero.)

⋅ 1 bit de paridad (par/impar o ninguno si no hay

paridad).

⋅ 1 bit de fin si se usa control de paridad; o 2 bits si no

se usa.

Campo de control de error Control de Redundancia Cíclica (CRC).

Tabla 5 Formato de cada byte en modo RTU.

2.7 Alimentación

Todos los dispositivos electrónicos, arquitecturas de microprocesadores, y en general

cualquier diseño electrónico requiere de fuentes de alimentación.

Frecuentemente, dicha alimentación proviene de una pila, una batería o de la red de

distribución de la energía eléctrica. Sin embargo, la alimentación requerida debe tener ciertas

53

peculiaridades, las cuales exigen que se diseñe un subsistema de alimentación, comúnmente

compuesto por reguladores para alcanzar tales peculiaridades.

2.7.1 Fuentes de alimentación compuesta por Pilas y Baterías

Estos dispositivos tienen la capacidad de proporcionar electricidad de forma autónoma,

es decir, sin necesidad de “enchufarse” a la red eléctrica.

Tanto en el caso de las baterías como en el de las pilas, al irse consumiendo la carga

disponible, su capacidad para mantener cierto voltaje de salida nominal va bajando. Por lo

tanto, se necesita de un subsistema de alimentación que sea capaz de suministrar

adecuadamente la tensión a cada dispositivo electrónico del que se componga el sistema, y

además proveer de una salida de voltaje y/o corriente confiable o regulado. Para ello se usan

fuentes de alimentación reguladas.

2.7.2 Fuentes de alimentación reguladas

De manera general, y de acuerdo a la variable que regulan, las fuentes de alimentación

reguladas se pueden clasificar en tres categorías:

- Fuente de alimentación de voltaje regulado.

- Fuente de alimentación de corriente regulada.

- Fuente de alimentación de voltaje y corriente regulada.

La fuente de alimentación de voltaje regulado es el tipo más común de fuente de

alimentación. Este tipo de fuente mantiene un voltaje DC aplicado a la carga. Dicho voltaje

DC se mantiene cerca del valor deseado a pesar de la variación en el voltaje AC de la línea o

de la demanda de corriente en la carga.

En las fuentes de alimentación de corriente regulada, se requiere que la corriente

entregada a la carga se mantenga constante. Para asegurar esto, la fuente regulada tiene un

sensor que le permite monitorear el voltaje a través de una resistencia pequeña conectada en

serie con la carga. Conociendo el voltaje en ella y el valor de su resistencia se puede tener una

idea de la corriente que está circulando por la carga. Con el lazo cerrado descrito

anteriormente, la fuente regulada es capaz de ajustar la corriente de salida.

54

Aunque ambos tipos de fuentes reguladas, voltaje regulado y corriente regulada, son de

gran utilidad para casos específicos, existe un tercer tipo de fuente regulada que une las

características de las dos anteriores en una sola: la fuente reguladora de voltaje y corriente.

Estas fuentes presentan un comportamiento dual: para ciertas corrientes exigidas por la carga,

la fuente funciona como reguladora de voltaje y si se supera el límite de corriente permitido,

automáticamente cambia a fuente de corriente regulada. Este tipo de fuente tiene la ventaja de

poseer este sistema de autoprotección contra sobrecarga. Una vez que se elimina la

sobrecarga, la fuente vuelve al estado regulador de voltaje.

Las fuentes de alimentación reguladas también pueden ser clasificadas por su

funcionamiento en reguladores conmutados y reguladores lineales. A continuación se presenta

dicha clasificación [11]:

- Los reguladores lineales requieren un voltaje DC en la entrada. Su comportamiento

puede ser visto como una resistencia variable que cambia automáticamente su valor; es

decir, que regulan la tensión de salida gracias a la caída de voltaje en elementos que

disipan la potencia. Como desventaja, los reguladores lineales tienen un bajo

rendimiento.

- Los reguladores conmutados son fuentes reguladas que se basan en un conmutador (un

switch) el cual interrumpe la corriente de la fuente a intervalos de duración variable. El

voltaje de salida (regulado) depende del voltaje de entrada y de la frecuencia de

conmutación. Destacan de las fuentes conmutadas su alto rendimiento.

2.7.2.1 Reguladores lineales

En la práctica, los reguladores lineales son ampliamente usados gracias a su

disponibilidad comercial. La disponibilidad de estos circuitos integrados ofrece una gran

ventaja en costo, dimensiones y fiabilidad. Existen reguladores lineales de pocos voltios hasta

de kilovoltios y las corrientes que pueden manejar son bastante altas. Existen diversos

parámetros que permiten caracterizar un regulador lineal. Tales parámetros se comentan a

continuación [12]:

55

- Máxima y mínima tensión de entrada. La máxima tensión de entrada es el voltaje

máximo aplicable entre el terminal de entrada y el terminal común sin dañar el

dispositivo. El mínimo voltaje de entrada es la tensión mínima requerida en el terminal

entrada sin que varíe la regulación de línea. Así se mantiene estable la salida.

- Rechazo al rizado. Es la oposición que le ofrece el dispositivo a las ondulaciones que

se tienen sobre el voltaje continuo.

- Máxima corriente de salida. Es la corriente que puede entregar el dispositivo sin que

varíe la tensión de entrada o sin que el dispositivo sufra. Sin embargo, es necesario

aclarar que la corriente máxima que puede entregar el dispositivo depende en gran

parte del voltaje de entrada. A medida que se aumenta el voltaje de entrada, la corriente

máxima que puede entregar el dispositivo disminuye ya que se debe limitar la potencia

disipada.

- Máxima potencia. En la hoja de datos de dispositivos, normalmente se observan curvas

de disipación de potencia que dan idea de cuanta potencia es capaz de disipar el

dispositivo con o sin disipador de calor.

- Protección contra temperatura excesiva. Muchos de los reguladores de voltaje poseen

un sensor de temperatura interno. Si la temperatura del dispositivo aumenta demasiado

(por excesiva disipación de potencia), la corriente de salida disminuye y el dispositivo

pasa a un estado de apagado mientras su temperatura permanece alta.

2.7.2.2 Reguladores de Conmutación

En los reguladores de conmutación, el elemento conmutador es un transistor que está

constantemente conmutando entre corte y saturación. En estas regiones de operación, el

transistor disipa muy poca potencia (típicamente menos de 1mW en corte y menos de 1W en

saturación). Debido a este modo de operación, los reguladores de conmutación son bastante

eficientes (a menudo alcanzan el 80% de eficiencia), especialmente cuando la diferencia entre

la entrada y salida es alta.

Además, los reguladores de conmutación pueden generar tensiones de salidas mayores

que la entrada no regulada y tensiones de salida de polaridad opuesta a la entrada. Los

56

principales problemas que tienen las fuentes conmutadas son el ruido de conmutación a la

salida y el costo.

Hay dos configuraciones básicas para el regulador de conmutación:

1. Step-down o “bucking”: en donde la tensión de salida viene a ser menor que la

de entrada. Y se puede además obtener una tensión de salida positiva ajustable

mediante el uso de un divisor de voltaje externo.

2. Step-up o “boosting”: en donde la tensión de salida es mayor que la tensión de

entrada. La única ventaja de los reguladores step-down con respecto a los

reguladores lineales es su alta eficiencia. Si embargo, los reguladores step-up

ofrecen una ventaja adicional cuando se necesita una tension de salida mayor

que la entrada no regulada.

2.8 Circuito Impreso

Una tarjeta de circuito impreso o PCB (del inglés Printed Circuit Board), “es un medio

para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes electrónicos, a través de

rutas o pistas de material conductor, grabadas desde hojas de cobre laminadas sobre un

sustrato no conductor” [13].

Las tarjetas de circuitos impresos (PCBs) son el método más común de ensamblar

circuitos electrónicos modernos. La mayoría de los circuitos impresos están compuestos por

entre una a dieciséis capas conductoras (de cobre), separadas y soportadas por capas de

material aislante (sustrato) laminadas (pegadas) entre sí.

Existen varios efectos que pueden ocasionar problemas en el desempeño de un circuito

de precisión realizado en PCB, entre ellos se incluyen: resistencias de salida, caídas de voltaje

en las hojas de metal, vías, y planos de tierra, la influencia de capacitancias parásitas, el

aterramiento del circuito y la absorción dieléctrica (DA). Además de la tendencia de los PCBs

para absorber la humedad atmosférica, lo que significa que los cambios de la humedad a

menudo contribuyen con algunos efectos parásitos que varían día a día.

57

2.8.1 Resistencia de los Conductores

Frecuentemente no se hace conciencia de que todas las líneas o vías de un PCB son

resistencias también. En sistemas donde sea requerida una alta precisión, hasta estas

resistencias pueden tener efectos de degradación.

En la Figura 22 se ilustra un método para calcular la resistencia R de una hoja

cuadrada de cobre, considerando la longitud Z, la anchura X, y el grosor Y.

Figura 22 Método para hallar la resistencia de una hoja de cobre.

A 25° C la resistividad de cobre puro es 1.724E-6 Ωcm y el grosor estándar de una

hoja de metal de cobre de un PCB es de 0.036 mm. Usando las relaciones mostradas en la

Figura 22, la resistencia de un elemento de cobre es por lo tanto 0.48 m Ω / área cuadrada. De

forma similar, se puede calcular fácilmente la resistencia de una vía.

Si consideramos la longitud de la línea Z y una anchura X, entonces la resistencia R de

la línea es simplemente el producto de Z/X por 0.48m Ω . Por ejemplo, si es usado un valor de

0.25mm como ancho de la vía (como sucede con frecuencia), al hallar la relación

resistencia/longitud (R/Z) obtenemos aproximadamente 19 Ω / cm, lo cual es una cantidad

muy grande.

Además, un factor que no debe ser ignorado, es que el coeficiente de temperatura de

resistencia para el cobre es aproximadamente 0.4 % / ° C a temperatura ambiente; y en el caso

particular de un circuito de precisión de impedancia baja, el TC podría cambiar la impedancia

neta del circuito debido a la temperatura.

58

De este modo, al tratarse de circuitos de precisión, puntos de diseño tan simples como

la resistencia de la pista de un PCB deben ser tomados en cuenta. Hay varias soluciones que

pueden dirigirse a esta cuestión, como hacer pistas más amplias (que puede tomar espacio

excesivo), el uso de cobre más pesado (que puede ser demasiado caro), o simplemente la

elección de dispositivos con alta impedancia de entrada para que no se creen divisores de

voltaje entre la caída de tensión debida a la resistencia de la pista y la impedancia de entrada

de un dispositivo.

2.8.2 Retorno de señales de corriente

La Ley de Kirchoff nos dice que en cualquier punto en un circuito, la suma algebraica

de las corrientes es cero. Lo que nos da a entender que todas las corrientes fluyen en círculos

y, en particular, que el retorno de la corriente debe ser siempre considerado al analizar un

circuito como el ilustrado en la Figura 23 [14] y [15].

Figura 23 Circulación de la corriente idealmente.

Frecuentemente es considerado el hecho de que la tierra devuelve una corriente "I". Sin

embargo, considerando el caso del circuito más habitual, donde la señal de una fuente de

energía de terminal simple es referenciada a tierra, es común asumir que todos los puntos en el

diagrama del circuito donde estén los símbolos de tierra están al mismo potencial.

Desafortunadamente esto no siempre es verdad.

La condición descrita es ilustrada en la Figura 24, donde, si esto realmente existiese,

habría una "conductividad infinita entre las tierras" que haría cero la diferencia de voltaje entre

la tierra de la fuente G1 y la tierra de la carga G2. Lamentablemente este acercamiento no es

59

una práctica sabia y, si se trabaja con circuitos de alta precisión, podrían presentarse errores

terribles.

Figura 24 Condición ideal entre las tierras: “Conductividad Infinita”.

Un modelo más realista de un sistema de tierra es el mostrado en la Figura 25. La

señal de corriente que retorna fluye a través de la impedancia compleja que existe entre la

señal de tierra G1y la G2 como es mostrado en la figura, ocasionándose una caída de voltaje

∆ V en este camino. Pero es importante notar que las corrientes externas adicionales, como

EXTI , pueden también fluir en este mismo camino. Es crítico entender que tales corrientes

pueden generar voltajes de ruido no correlacionados entre G1 y G2 (dependiendo de la

magnitud de la corriente y de la impedancia relativa de la tierra).

Figura 25 Modelo más realista de un sistema de tierra.

Alguna porción de estos voltajes indeseados podrían ser vistos por la señal de la carga,

y esta podría tener el potencial adecuado para corromper la señal transmitida. Es evidente, por

supuesto, que otras corrientes pueden fluir por el camino de impedancia de tierra sólo si hay

un camino de corriente para estas. En este caso, severos problemas podrían ser causados si un

60

circuito que maneje corrientes altas comparte un mimo laso de retorno de tierra con el de la

señal de la fuente.

2.8.3 Planos de tierra

Con el objetivo de conseguir una aproximación a la condición ideal de “conductividad

infinita” entre las tierras, se podrían crear capas en un lado del PCB de doble cara (o en una de

las capas de las múltiples existentes) hechas de cobre continuo y usarlas como la tierra del

circuito. La teoría detrás de esto, es que estas grandes cantidades de metal tendrán una

resistencia y una inductancia tan baja como sea posible. Lo cual ofrece la mejor conducción

posible en términos de reducción al mínimo de voltajes falsos debido a la diferencia de tierras

a través de los planos de conducción.

El concepto de planos de tierra también puede ser ampliado para incluir planos de

voltaje. Una pista de voltaje ofrece ventajas similares a las de una pista de tierra, es decir, un

conductor de impedancia muy baja. Así un sistema puede tener más de una pista de voltaje, así

como una pista de tierra.

A pesar que las pistas de tierra solucionan muchos de los problemas de la impedancia

de la tierra, ellos no siempre son suficientes para solucionar todos los problemas del

aterramiento. Inclusive una hoja continua de metal de cobre tiene resistencia e inductancia

residual, y en algunas circunstancias, éstos pueden ser suficientes para impedir la operación

apropiada el circuito. Al diseñar es apropiado tener cuidado con inyectar corrientes muy altas

en un plano de tierra, ya que éstas pueden producir caídas de voltaje que interfieren con la

circuitería sensible.

2.8.4 Separar Tierras Analógicas de las Digitales

Como un hecho de vida, la circuitería digital es ruidosa debido a los rápidos picos de

corrientes provenientes de la fuente durante la conmutación. Sin embargo, las etapas lógicas

con cientos de millivolts (o más) de inmunidad al ruido, tienen por lo general poca necesidad

de niveles altos de desacople de la fuente. Por otra parte, la circuitería analógica es

completamente vulnerable al ruido proveniente tanto de la fuente de energía como de la tierra.

De este modo, es ideal separar la circuitería analógica de la digital para prevenir que ruido de

61

la etapa digital afecte a la etapa analógica. Tal separación implica la disociación tanto de

retornos de tierra como de fuentes de poder, lo cual es inoportuno en un sistema con señales

mixtas (tanto digitales como analógicas). Sin embargo, si un sistema con señales mixtas debe

ser capaz de dar un rendimiento completo, es a menudo esencial tener las tierras de la etapa

analógica separada de las tierras digitales, y además tener las fuentes de energía separadas.

En un sistema, la tierra analógica y la digital deben ser unidas en algún punto, para

permitir señales que estén referenciadas a un potencial común. Este punto común

analógico/digital, es elegido de modo que no se introduzcan corrientes digitales en la parte de

las tierras analógicas del sistema.

2.8.5 Efecto Skin

A altas frecuencias, también se considera el efecto skin (efecto de piel), donde efectos

inductivos causan corrientes que fluyen sólo en la superficie externa de los conductores.

El efecto skin tiene la consecuencia de aumentar la resistencia de un conductor en

frecuencias altas. Sin embargo, este efecto es separado del aumento de la impedancia debido a

los efectos de la autoinductancia de los conductores cuando la frecuencia aumenta.

El efecto skin es un fenómeno complejo, y los cálculos detallados están más allá del

alcance de esta discusión. Sin embargo, una aproximación buena para el cobre es que la

profundidad de piel en centímetros es f

61.6, (f en Hz) [16].

Asumiendo que los efectos de piel se hacen relevantes cuando la profundidad de piel es

menos del 50 % del grosor del conductor, para una hoja de metal típica de circuito impreso

debemos estar preocupados por el efecto skin si se trabaja en frecuencias por encima de 12

MHz aproximadamente.

Donde el efecto skin es importante, la resistencia de piel para el cobre es

Ω− f*10*6.2 7 por cuadrado, (f en Hz). Esta fórmula es inválida si el grosor de piel es

mayor que el grosor del conductor [16].

62

2.8.6 Capacitancias parásitas

En cualquier PCB habrá un número grande de condensadores asociados con cualquier

circuito, y cuando dos conductores no son puestos en cortocircuito juntos, o no están

totalmente protegidos el uno del otro, habrá una capacitancia entre ellos. De este modo, En

aplicaciones donde importe el rendimiento a alta frecuencia, es muy importante considerar los

efectos de capacitancia vaga.

El ejemplo para ser considerado en esta discusión es el condensador de plato paralelo,

a menudo formado por conductores en lados opuestos de un PCB. El diagrama básico que

describe esta capacitancia es mostrado en la Figura 26.

Figura 26 Diagrama básico que describe un condensador de plato paralelo.

A partir de la fórmula presentada en la Figura 26, puede ser calculado que la

capacitancia entre conductores en lados opuestos de la tarjeta es 3pF/cm2, para un material

típico en PCB (Er = 4.7, d = 1.5 mm). El circuito debe ser diseñado de modo que esto no

afecte su rendimiento.

3 DISEÑO DEL SISTEMA

3.1 Diagrama de Bloques del sistema

64

3.2 Descripción y cálculos de las etapas de la aplicación

En este capítulo se describirán cada una de las etapas que comprenden la aplicación.

Adicionalmente, se listarán los componentes de cada una de las etapas, se explicarán los

cálculos realizados, se expondrán los criterios de diseño empleados y las modificaciones

realizadas a los circuitos preliminares.

3.2.1 Etapa de Adquisición de las señales de entrada

La primera etapa en la aplicación consiste de cuatro sensores: uno de temperatura,

uno de presión y dos de contacto. Estos serán explicados a continuación.

3.2.1.1 Sensor de Temperatura

Las premisas de diseño de la aplicación exigen medir la temperatura dentro de una

tubería, con el fin de evaluar si hubo escape de gas en la línea. Para ello se requiere de un

sensor capaz de medir dentro del rango de 0° C hasta 350° C, con una precisión del 0.1%

(0.35° C) y que soporte las siguientes condiciones de trabajo: temperatura ambiente de 60°

C, humedad relativa de 80%, altas vibraciones mecánicas e inmunidad al ruido.

Al avaluar las premisas listadas anteriormente se decidió utilizar como sensor de

temperatura una RTD (Resistance Temperature Detector). Esta decisión fue tomada al

analizar las prestaciones y limitaciones de cada uno de los posibles sensores de temperatura,

es decir, una termocupla, RTD o un termistor. Las principales características a evaluar para

la decisión del sensor fueron: el rango de temperatura, la precisión, la sensibilidad, la

linealidad y la estabilidad, las cuales se evidencian para cada sensor en la Tabla 2 ubicada en

el marco teórico.

La RTD de Platino seleccionada para la aplicación (ver Figura 27) es de tipo clase A

y su relación Resistencia vs. Temperatura persigue el estándar IEC-751. Fue escogida por las

siguientes características: estabilidad a altas temperaturas y resistencia a impactos en altas

temperaturas; ya que se requiere de un dispositivo capaz de demandar una excelente

operación a temperaturas extremadamente altas.

65

Figura 27 RTD de platino de la serie KN con TC=0.00385.

El sensor escogido fue fabricado con platino, muestra una resistencia de 100 Ω a 0ºC

y un TC= 0.00385. Dicha RTD persigue la relación temperatura-resistencia mostrada en la

Tabla 29 de la sección de anexos.

3.2.1.2 Sensor de Presión

Las premisas de diseño de la aplicación exigen medir presión dentro del rango de 0 a

3000 psi con una precisión del 0.1% (3 psi). Esta medición permitirá ver el patrón de

producción al observar la presión en el separador. Con esta se puede determinar si hay

obstrucción en la línea de flujo.

De los sensores de presión disponibles, se seleccionó un transductor piezoeléctrico ya

que es el de mejor y más avanzada tecnología, proveyendo una señal de respuesta a una

variación de presión lineal y son capaces de respuestas frecuenciales de hasta un millón de

ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura y

precisar ajuste de impedancias, sin embargo en muchos sensores esta limitación ya es tomada

en cuenta y los proveedores ofrecen soluciones a estos problemas.

El sensor de presión seleccionado para la aplicación es el de la serie 13 mm de

Honeywell, ya que estos están diseñados especialmente para realizar mediciones de altas

presiones bajo ambientes hostiles. Está provisto con un sensor piezoresistivo con la

posibilidad de calibración y compensación de temperatura, lo cual lo hace un sensor de alta

confiabilidad, estable y exacto. El sensor puede ser alimentado tanto por una fuente de

66

corriente como por una de voltaje y es capaz de medir presiones en un rango desde 0 a 5000

psi dependiendo del modelo de sensor que se escoja. Basándonos en las premisas de diseño,

se seleccionó el modelo 13C 3000P (A,S) (1,4,5,6) (K,L) de la serie compensada. En la

siguiente figura se muestra una representación del sensor:

Figura 28 Sensor de presión de la serie 13 mm de Honeywell, modelo 13C 3000P (A,S)

(1,4,5,6) (K,L). Se utilizó la versión K (alimentación por voltaje) del sensor y ofrecerá una salida

entre 98mV a 102mV a escala completa trabajando en el rango de 0 a 3000 psi.

3.2.1.3 Sensores de contacto

Para la aplicación se requiere del uso de dos sensores de contacto con salida digital.

Esto se debe a que todos los circuitos del proyecto se encontrarán metidos en una especie de

armario metálico especial en la intemperie del lago de Maracaibo, y es necesario crear un

mecanismo sencillo que indique de forma clara y precisa el estado de las puertas del armario

(abierto/cerrado).

Para esto se diseñó un sistema con un switch de “puerta abierta o puerta cerrada”, el

cual cuando estamos en el caso de puerta abierta nos da a su salida el voltaje de entrada y

cuando esta en el caso de puerta cerrada ofrece a su salida cero voltios. De esta forma, el

voltaje de la salida del sensor será convertido a un valor digital a través del ADC del

microcontrolador y dependiendo del resultado del conversor (1 ó 0 lógico) se encenderá o

apagará un led (o algún otro sistema visual indicativo), con la finalidad de alertarnos con

respecto al estado de las puertas del armario. El mecanismo de respuesta visual es una tarea a

futuro fuera del alcance de este prototipo.

Para el segundo sensor de contacto con salida digital requerido, no se detalla en el

proyecto una función en específico, sino que se solicita para un posible uso futuro.

67

3.2.2 Etapa de Acondicionamiento de la Señal El objetivo esencial de esta etapa es ajustar y preparar las señales de salida de los

sensores de la etapa de adquisición, para que desempeñen la mejor operatividad posible

frente al proceso de digitalización incluido en la etapa de registro.

Esta etapa está constituida principalmente por un conjunto de circuitos dependiendo

de la salida del sensor que se vaya a acondicionar. Estos circuitos serán explicados en el

siguiente apartado.

3.2.2.1 Módulo de acondicionamiento de temperatura

Elección del sistema de acondicionamiento

El voltaje de salida del sensor de temperatura es del orden de los mV, por esto es

necesario ajustar la salida del sensor a las necesidades de un conversor A/D y así tener una

señal útil y comprensible por el microcontrolador.

Para ajustar la salida del sensor se pensó en utilizar el amplificador instrumental

INA101, ya que es apropiado para aplicaciones tanto de temperatura como de presión y

posee un alto valor de rechazo al modo común, lo cual es una característica muy deseada

para estos casos. Sin embargo, debido a que el módulo de acondicionamiento de la señal

estará alejado del módulo de procesamiento digital (mediciones remotas), es idóneo convertir

la señal de voltaje reflejada por el sensor, en una señal de corriente confiable a través de un

transmisor de corriente. El propósito del transmisor es evitar “falsas mediciones” debido a

caídas de voltaje en los cables; ya que aunque estas caídas serán de valores muy pequeños,

son bastante representativos debido a que la señal analógica que se está enviando a través de

ellos es de muy pocos voltios después de amplificarla, por lo tanto, cualquier valor de voltaje

que se le agregue a la señal por muy pequeño que sea, cambiará por completo el significado

de la medición.

Además, posee la ventaja de poder distinguir entre un resultado de 0mA producto de

averías y un 0mA producto de una medición de 0ºC, ya que el valor de corriente más bajo

para representar la menor medida de temperatura posible será de 4 mA.

68

Al hacer uso de resistencias relativamente bajas (100 Ω ) que cambian muy poco con

la temperatura (menos de 0.4 Ω /°C), las RTDs requieren de un preciso acondicionamiento de

señal con fuentes de excitación de corriente altamente precisas, amplificadores de alta

ganancia y conexiones para medición de 4 o 3 hilos para evitar errores debido a caídas de

voltaje en los cables.

Por estas razones se seleccionó el chip XTR101, el cual es un transmisor de dos hilos

bajo el estándar de 4-20mA; ya que está compuesto en su interior por un amplificador

instrumental de alta precisión, una fuente de corriente controlada por voltaje y dos fuentes de

corriente de referencia muy precisas, ambas de 1mA.

El diagrama circuital del chip es mostrado en la Figura 16 de la sección de marco

teórico y la configuración de pines del chip es la mostrado a continuación:

Figura 29 Configuración de pines del transmisor de corriente XTR101.

Para las mediciones de temperatura se utilizó el siguiente circuito mostrado en la

Figura 30 compuesto principalmente por el XTR101:

69

Figura 30 Transductor para una RTD.

En la configuración mostrada en la Figura 30, observamos que a la RTD (señalada en

la figura como RT) se le está alimentando con una de las fuentes de precisión del XTR101 de

valor 1 mA (ubicada en el pin 11) puesto que la RTD es un elemento resistivo y necesita de

alguna fuente de alimentación para que pueda producir una señal de salida útil. En la Figura

30 es posible observar la configuración como está colocada la RTD entre los pines del

XTR101, se tienen dos cables para alimentar la RTD con la fuente de precisión de 1mA y

dos más para medir su salida (voltaje generado al conducir la corriente de 1 mA por la RTD)

a través de los pines 4 y 7 del XTR101.

Cálculos

Los valores a calcular dentro del circuito mostrado en la Figura 36 son los

enmarcados en los círculos rojos: R4, RL, Rs y R2. Los cálculos necesarios para hallar los

valores deseados se muestran a continuación bajo las siguientes premisas:

Considerando que los límites de temperatura del proceso son de 0ºC a 350ºC y que

vamos a configurar el XTR101 para medir temperatura con una PT100, la cual produce 100

Ω a 0ºC y 229.7161 Ω a 350ºC (ver Tabla 29). El transmisor será configurado para aportar

4mA a 0ºC y 20mA a 350ºC.

Para seleccionar el valor de Rs hallamos la sensibilidad de la RTD:

70

Ecuación 21

37.0º0º350

1007161.229≈

−

Ω−Ω=

∆

∆

CCT

R

Debido a que estamos alimentando la RTD con una de las fuentes de corriente de

referencia de 1mA, y como tenemos un span de temperatura de 350ºC; podemos hallar el

span del voltaje de entrada eIN de la siguiente forma:

Ecuación 22

mVmAein 130350*)350

7161.129(*1 ≈=∆

Al despejar Rs de la Ecuación 17 tenemos:

Ecuación 23

Ω≈

−

=

−∆

∆= 56.373

016.0130

1640

016.0

40

mV

mA

volt

amps

e

IoRs

in

Como no existe un valor comercial de 373.56, se utilizó una resistencia de 390 Ω .

Con el fin de hacer que el límite inferior de corriente de salida, es decir 4mA, corresponda al

límite inferior de temperatura, es decir 0ºC:

A 0ºC, )(*12' TT RRmAe ∆+=

Ecuación 24

mVCC

mAe 100)º0*º350

716.129100(*12' =

Ω+Ω=

Como eIN (la entrada de voltaje diferencial) debe ser cero a 0ºC, se hizo:

0' 4º0@2 =−= Vee Cin

mVeV C 100' º0@24 ==

Ecuación 25

Ω=== 1001

100

14

4 mA

mV

mA

VR

71

A 350ºC,

Ecuación 26

mVCC

mAe 716.229)º350*º350

716.129100(*12' =

Ω+Ω=

Para hallar R2 y chequear que se cumpla con el CMV (voltaje de modo común):

Ecuación 27

Ω== kmA

VR 5.2

2

52

Entonces, e2min = 5V + 0.1V = 5.1V

Y e2max = 5V + 0.2323 = 5.2323V

Mientras que e1= 5V + 0.1V = 5.1V

Se cumple con el requisito del CMV el cual dice que tanto e1 como e2 deben estar

entre 4 y 6 volts.

La carga máxima deberá ser:

Ecuación 28

Ω=−

=−

= 62020

6.1124

20

6.11

mA

VV

mA

VVR ps

L

Para que este valor pueda ser legible y aceptado por el microcontrolador de la

siguiente etapa, hay que convertir la señal de corriente en voltaje. Para esto se colocó una

resistencia de precisión a la salida del circuito y de esta forma fijar un voltaje máximo

permitido por el microcontrolador. En nuestro caso el voltaje máximo permitido es de 3.3V,

por lo tanto se colocó una resistencia de 160 Ω para obtener a la salida V = 20mA * 160 =

3.2 V máximo.

Para obtener una relación entre el voltaje que arroje nuestro circuito y la temperatura,

se realizaron varios cálculos haciendo uso de algunas de las ecuaciones señaladas

anteriormente. Estos cálculos se muestran en la Tabla 30 mostrada en la sección de anexos.

72

La gráfica de la Figura 31 nos muestra la relación casi perfectamente lineal del voltaje de

salida del XTR101 vs. La temperatura obtenida por la RTD utilizada.

Voltaje vs. Temperatura y = 0,007x + 0,6623

R2 = 0,9998

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Temperatura

Vo

ut

del

XT

R101

Figura 31 Gráfica de la relación Voltaje de salida del XTR101 vs. Temperatura. El diagrama circuital del acondicionamiento de la señal de temperatura con los

componentes finales se muestra a continuación:

Figura 32 Diagrama circuital del acondicionamiento del sensor de temperatura.

3.2.2.2 Módulo de acondicionamiento de presión

Elección del sistema de acondicionamiento

Frecuentemente, los circuitos de acondicionamiento para galgas extensométricas

constan de fuentes de excitación de voltaje o corriente muy precisas y de amplificadores de

73

ganancia. Además, debido a que muy rara vez los puentes de galgas son balanceados

perfectamente, algunos acondicionadores de señales usan eliminación de offset, lo cual

permite un ajuste de la relación entre las resistencias del puente y de ésta forma se logra

remover el voltaje de offset inicial.

Para acondicionar la señal de salida proveniente del sensor de presión se utilizó el

transmisor de corriente XTR101 que opera según el estándar de 4-20 mA. Las razones de

selección de este chip son análogas a las presentadas en el módulo de acondicionamiento de

temperatura en el sentido en que las mediciones de presión también se harán de forma remota

al resto de circuito. Pero además, se agrega el valor de que el XTR101 ya posee internamente

todos los componentes deseados (mencionados anteriormente) para un acondicionador de

este tipo de señal.

El circuito montado para acondicionar la salida del sensor de presión es el mostrado a

continuación en la Figura 33:

Figura 33 Transductor para una galga extensométrica.

El sensor de presión seleccionado consiste de un puente Wheatstone con cuatro

elementos resistivos (donde todas las resistencias varían, con una RNOMINAL=350 Ω ) y es

alimentado a través de un voltaje fijo aplicado en las puntas del puente como se puede

observar en la Figura 33. Debido a que todas las resistencias en el puente varían y según la

Figura 14, el error de linealidad del sensor puede ser considerado casi cero.

VB

74

La sensibilidad del puente es la relación entre máximo cambio esperado en el voltaje

de salida y el voltaje de excitación, por lo tanto basándonos en la Figura 33 la sensibilidad

del sensor de presión vendría a ser:

Ecuación 29

VKmAVB 0735.5)8.1*0147.1(9.6 =Ω−=

Ecuación 30

VmVV

mVadSensibilid /11.20

0735.5

102==

Cálculos

El único valor a fijarse del circuito en la Figura 33 es el enmarcado en el círculo rojo:

Rs (resistencia que fija el rango de ganancia RSPAN). Los cálculos necesarios para hallar el

valor deseado se muestran a continuación bajo las siguientes premisas:

Considerando que el rango de presión con el que trabaja el proceso es de 0 a 3000psi,

y que el sensor de presión seleccionado provee un voltaje de salida con un span a escala

completa de 98mV a 102mV, éste voltaje de salida del sensor será el voltaje de entrada par el

XTR101 ( ine∆ ) y a partir de el hallamos Rs de la siguiente forma:

Ecuación 31

Ω≈

−

=

−∆

∆= 96.283

016.0102

1640

016.0

40

mV

mA

volt

amps

e

IoRs

in

Con el rango menor de span, es decir con 98mV, necesitaríamos una resistencia de

aproximadamente 272 Ω y con el rango mayor de aproximadamente 284 Ω , como no existen

tales valores para resistencias comerciales, se utilizará una resistencia de 300 Ω .

De esta forma diseñamos para obtener a la salida del transmisor 4mA al tener una

presión de 0 psi y 20mA cuando tengamos 3000psi. Para que valor pueda ser legible y

aceptado por el microcontrolador de la siguiente etapa, hay que convertir la señal de

corriente en voltaje. Para esto se colocó una resistencia de precisión a la salida del circuito y

75

de esta forma fijar un voltaje máximo permitido por el microcontrolador. En nuestro caso el

voltaje máximo permitido es de 3.3V, por lo tanto se colocó una resistencia de 160 Ω para

obtener a la salida V = 20mA * 160 = 3.2 V máximo.

El diagrama circuital del acondicionamiento de la señal de presión con los

componentes finales se muestra a continuación:

Figura 34 Diagrama circuital del acondicionamiento del sensor de temperatura.

3.2.3 Etapa de Registro y Almacenamiento

3.2.3.1 Microcontrolador

3.2.3.1.1 Descripción de los pines

El microcontrolador ATMEGA128L es un chip de 64 pines de los cuales 53 son

líneas de entrada-salida digital con propósito general. Está compuesto por 6 puertos, del

puerto A al puerto F con 8 bits cada uno y un puerto de 5 bits llamado puerto G. En la Figura

35 se ilustra la configuración de pines del microcontrolador ATMEGA128L:

76

Figura 35 Configuración de pines del ATMEGA128L.

Los puertos B, D y F utilizados para la aplicación están compuesto por 8 pines

generales de entrada-salida digital, sin embargo están multiplexados para cumplir con

funciones alternativas de otros módulos cuando éstos se habiliten sin importar su

configuración como pin de entrada-salida digital.

Puerto B

Al habilitar el módulo SPI los pines del puerto B se configuran según la Tabla 6 a

pesar de su configuración como pines de entrada-salida digital de propósito general. Para la

aplicación se configuraron de la siguiente manera:

PTB7 PTB6 PTB5 PTB4 PTB3 PTB2 PTB1 PTB0

x BUSY DATARDY RST MISO MOSI SCLCK SSEL

Tabla 6 Configuración de los pines del puerto B utilizados para el módulo SPI.

Puerto D

Para la aplicación, los pines del puerto D se utilizaron para establecer comunicación

I2C entre el RTC y el microcontrolador, los pines se configuraron según la Tabla 7:

77

PTD7 PTD6 PTD5 PTD4 PTD3 PTD2 PTD1 PTD0

x x x RST x x Línea de datos SCLK

Tabla 7 Configuración de los pines del puerto D utilizados para comunicación serial.

Puerto F

Se habilitó el módulo ADC para lo cual se utilizó este puerto y se configuró de la

siguiente manera:

PTF7 PTF6 PTF5 PTF4 PTF3 PTF2 PTF1 PTF0

x x x x ADC3 ADC2 ADC1 ADC0

Tabla 8 Configuración de los pines del puerto B utilizados para el módulo SPI.

3.2.3.1.2 Módulo del ADC

El microcontrolador ATMEGA 128L cuenta con un módulo convertidor de analógico

a digital con las siguientes características: 10 bits de resolución, 8 canales de entrada simple

multiplexados, 7 canales con entrada diferencial y trabaja en el rango de 0V a el voltaje de

alimentación del módulo.

Es preciso conocer si las características de este convertidor son apropiadas para

cumplir con todos los requerimientos que exige la aplicación, para esto se completó la

siguiente tabla con los datos de ambas mediciones (tanto de temperatura como de presión)

relevantes a realizar por el ADC:

Medición Unidad ini fin Span Prec.

% Prec. Abs VL VH

Span Volts Divs

Volts / Div

Med / div

Presión PSI 0 3000 3000 0,1 3 0 3,3 3,3 1024 0,0032 2,930 Temp Celsius 0 350 350 0,1 0,35 0 3,3 3,3 1024 0,0032 0,342

Tabla 9 Configuración del ADC según los datos requeridos.

Basándonos en los valores de la Tabla 9, podemos concluir que es factible el uso de

este convertidor, ya que el valor de cada medición por división para cada una de las dos

mediciones que necesitan del ADC en la aplicación, cumplen con la precisión deseada.

Además, el span del transmisor XTR101 y del ADC están acoplados (se hicieron coincidir) y

78

poseen los mismos límites de voltaje de inicio y fin, característica importante para

aprovechar el rango dinámico del módulo y así alcanzar un óptimo desempeño.

El modo de operación general del ADC es el siguiente: convierte el voltaje de entrada

analógico en un valor digital de 10 bits mediante aproximaciones sucesivas, donde el mínimo

valor representado por el ADC es tierra (GND) y el mayor es el voltaje de referencia del

módulo (en nuestro caso es 3.3V) menos el LSB. Por lo tanto, según la Ecuación 20

tenemos:

10242Re 10 ==solución

bitmVV

LSB /23.312

3.310

=−

=

Al seleccionar 2 entradas simples, PF0 y PF1 (ver Figura 35) una para capturar el

valor de temperatura y la otra para capturar el valor de presión, se pasa el valor recibido a los

circuitos de sample and hold. Tras esperar 11 ciclos de reloj (de los 13.5 que toma la

conversión en realizarse), el ADC presenta el resultado con una resolución de 10 bits (entre 0

y 1023) en el registro de data (Data Register, ADCH y ADCL). Cuando el proceso de

conversión culmina, el módulo tiene la posibilidad de ocasionar una interrupción si el

usuario lo configura para esto.

La configuración inicial del ADC es la descrita a continuación:

El primer paso es establecer el valor del reloj del ADC, ya que éste sólo puede

trabajar en un rango entre 50 – 200 KHz para una resolución de 10 bits. Por lo tanto debemos

fijar un valor apropiado para el pre-escalador, para que al dividir la frecuencia del reloj del

sistema (3.6864 MHz) entre 2n, donde n es el número fijado para el pre-escalador, resulte en

una frecuencia dentro del rango permisible por este módulo. Para esta aplicación se fijo el

pre-escalador en 3, con lo cual el reloj del ADC sería 460.8 KHz. Luego se selecciona el

voltaje de referencia para el ADC como un voltaje externo proporcionado por la tarjeta de

desarrollo del microcontrolador (3.3 V). Seguidamente, seleccionamos los canales que se

multiplexarán en los bits MUX (3:0) del registro ADMUX, deshabilitamos las interrupciones

de este módulo (ADIE=0) y escogemos el modo de conversión simple al colocar en nivel

79

bajo al bit ADFR del registro ADCSRA. Por último, se procede a habilitar el módulo del

ADC, para ello se coloca en nivel alto el bit ADEN del registro ADMUX.

El bit ADIF del registro ADCSRA es una bandera de lectura para señalar que una

interrupción ha ocurrido, sin embargo como las interrupciones están inhabilitadas, este bit no

nos interesa. En la Tabla 10 y en la Tabla 11 se muestra un resumen de las configuraciones

anteriormente descritas.

ADMUX

REFS1 REFS2 ADLAR MUX4 MUX3 MUX2 MUX1 MUX0

0 1 x 1 0 0 0 0

Tabla 10 Configuración del registro de selección del multiplexor del módulo del ADC.

ADCSRA

ADEN ADSC ADFR ADIF ADIE ADPS2 ADPS1 ADPS0

1 0 0 x 0 0 1 1

Tabla 11 Configuración del registro de Control y Estatus del módulo del ADC.

3.2.3.1.3 Módulo del TIMER1

El contador de 16 bits está conformado por dos registros de 8 bits cada uno ubicados

en memoria: el registro alto TCNT1H que contiene los 8 bits más significativos del contador,

y el TCNT1L que contiene los 8 bits menos significativos.

El sistema de reloj del módulo puede funcionar a partir de su reloj interno o a partir de

una fuente externa. El reloj del sistema es seleccionado a partir de los bits CS1 (2:0) en el

registro TCCR1B. Mientras ninguna fuente de reloj es seleccionada el módulo permanece

inactivo.

Este módulo ofrece varios modos de operación, sin embargo para la aplicación se usó

el modo de operación “normal”, el cual consiste en que el contador incrementará su valor por

cada ciclo de reloj del módulo hasta alcanzar su máximo valor, es decir 0 x FF. A partir de

ése momento la cuenta se iniciará de nuevo desde el valor 0 x 00 y se colocará en nivel alto

la bandera TOV1, la cual indica que el contador llegó a su máximo valor (overflow). El

80

módulo ofrece la posibilidad de hacer una interrupción cuando una condición de overflow

ocurra.

La configuración inicial del TIMER es la descrita a continuación:

El primer paso es elegir el reloj del módulo. Se decidió utilizar como fuente del

módulo TIMER el reloj del sistema dividido entre 1024, por lo tanto concluimos que la

velocidad del contador será de:

Ecuación 32

KHzMHz

6.31024

6864.3= .

El modo de operación seleccionado a través de los bits WGM1 (3:2) del registro

TCCR1B es el modo normal, con la peculiaridad de que en el registro TCNT1H se

encontrará el valor 0 x FE y en el registro TCNT1L el valor 0 x 98. Esto produce que la

cuenta del módulo se inicie en el valor 0 x FE98 y no en 0 x 0000. El valor se incrementará

normalmente hasta llegar al valor 0 x FFFF, de esta manera y dado a que tenemos el reloj del

módulo fijado en 3.6 KHz podemos hallar cuanto tiempo se tardará en alcanzar la condición

de overflow de la siguiente forma:

Ecuación 33 35916709800 dXxFExFFFF ==−

Ecuación 34

ms10036001*359 ≈

Después de configurar el módulo, el contador empezará a incrementar su valor hasta

que alcance el valor de 0 x FFFF, momento en el cual, al comenzará nuevamente la cuenta,

se fijará un uno lógico en la bandera TOV1 y se producirá una interrupción.

Desde la Tabla 12 hasta la Tabla 15 se muestra un resumen de las configuraciones

anteriormente descritas.

TCCR1B

ICNC1 ICES1 RESERVADO WGM13 WGM12 CS12 CS11 CS10

0 0 0 0 0 1 0 1

Tabla 12 Configuración del registro Timer/Counter1 Control Register B del módulo timer.

81

TCNT1H


1 1 1 1 1 1 1 0

Tabla 13 Configuración del registro Timer/Counter1 alto del módulo timer.

TCNT1L


1 0 0 1 1 0 0 0

Tabla 14 Configuración del registro Timer/Counter1 bajo del módulo timer.

TIMSK


0 0 0 0 0 1 0 0

Tabla 15 Configuración del registro Timer/Counter1 Control Interrup Mask del módulo timer.

3.2.3.1.4 Módulo de Comunicación SPI

El modo de operación general de este módulo consiste en: el SPI maestro inicializa el

ciclo de comunicación al colocar el pin SS en nivel bajo para seleccionar el esclavo con el

que establecerá la comunicación. Seguidamente, el maestro y el esclavo preparan la data a

ser enviada en el siguiente pulso del reloj a través del registro desplazador de cada uno de

ellos. La data es enviada del maestro al esclavo a través de la línea de transmisión MOSI y

recibida desde el esclavo hasta el maestro por la línea de comunicación MISO. Para

establecer una comunicación siendo el ATMEL128L el maestro, se debe fijar el pin SS en

cero para seleccionar al esclavo, seguidamente se coloca el byte a enviar en el registro de

data (SPDR) y se dá inicio al reloj del este módulo el cual hará que se comience la

transmisión del byte. El hardware dentro del módulo comenzará el desplazamiento bit a bit

del byte de data desde el bit más significativo hasta el menos significativo. Después de

enviar todo el byte, el reloj se parará, con lo cual la bandera SPIF se activará indicando el fin

de la transmisión. El módulo es capaz de producir una interrupción al terminar la transmisión

de cada byte si se le configura para esto.

Para la aplicación, el módulo SPI se configuró de la siguiente manera: el

microcontrolador será el dispositivo maestro (MSTR = 1 en el registro SPCR) con una tasa

82

de reloj fijada en 230.400 KHz, a través de configurar los bits SPR (1:0) del registro SPCR

para que el reloj del sistema (3.6864 MHz) sea dividido entre 16 y la transmisión se dará

desde el bit más significativo hasta el menos significativo (DORD = 0). Para la

implementación no se requirió de las interrupciones provenientes de este módulo, por lo

tanto se encuentran deshabilitadas. Después de realizadas todas estas configuraciones, se

procede a habilitar en el módulo poniendo en nivel alto el bit SPE del registro SPCR.

En la Tabla 16 se muestra un resumen de las configuraciones anteriormente descritas.

SPCR

SPIE SPE DORD MSTR CPOL CPHA SPR1 SPR0

0 1 0 1 1 1 0 1

Tabla 16 Configuración del registro SPCR (Control de registros del SPI)

3.2.3.2 Módulo de RTC DS1302

La interconexión entre el DS1302 y el microprocesador es a través de comunicación

serial síncrona y se requiere únicamente de tres conexiones para poder establecer una

comunicación con la RAM del módulo: (1) RST (reseat), (2) entrada-salida (línea de datos),

y (3) SCLK (reloj serial). Los datos se pueden enviar hacia y desde la RAM del módulo en

transferencias de 1 byte a la vez o en 31 bytes si se selecciona el modo “Burst”.

El módulo está compuesto por un registro de desplazamiento, lógica de control, un

oscilador, un RTC y la RAM, siendo el sistema de reloj del módulo un cristal externo de

32.768 KHz

La operación general del RTC consiste en: al colocar la línea RST en alto se inicia la

transferencia de datos, por lo tanto los 8 bits que proporcionan la información de dirección y

comando (ver Tabla 17 ) serán transmitidos en serie uno a uno en el flanco de subida del

SCLK al registro de desplazamiento. Estos 8 bits especifican: cuáles de los 40 bits serán

accedidos, si el siguiente ciclo será una lectura o escritura y el modo de transferencia (1 byte

o 31 bytes). Después de los primeros ocho ciclos de reloj se habrá guardado la palabra del

83

comando en el registro de desplazamiento, y los relojes adicionales serán para iniciar la

lectura o escritura según el comando especificado en los primeros 8 bits.

Cada transferencia de datos es iniciada por un byte de comando (ver Tabla 17 ). El

MSB (bit 7) debe ser un 1 lógico, si es 0 el DS1302 deshabilitará la escritura en la RAM. El

bit 6 especifica datos del reloj/calendario si contiene un 0 lógico o datos de la RAM si

contiene un 1 lógico. Los bits (5:1) especifican los registros a ser escritos o leídos, y el LSB

(bit 0) especifica una operación de escritura (entrada) si contiene un 0 lógico, o una

operación lectura (salida) si contiene un 1 lógico. El byte de comando se transfiere siempre

comenzando con el LSB (bit 0).

7 6 5 4 3 2 1 0

1 RAM / CK A4 A3 A2 A1 A0 RD/W

Tabla 17 Configuración del byte de comando.

3.2.3.3 Memoria

Para registrar los valores provenientes del microcontrolador se utilizó un módulo

basado en una tarjeta SD denominado uALFAT. En la Figura 36 se muestra el módulo de

memoria utilizado.

Figura 36 Módulo de memoria utilizado basado en una tarjeta SD.

El uALFAT posee la posibilidad de establecer comunicación vía SPI, I2C o por

UART con cualquier microcontrolador y posee las siguientes prestaciones: rápido encendido

(pocos milisegundos), tres modos de operación, una rápida escritura/lectura (60 KBps) y bajo

consumo de potencia (12 mA), lo cual lo hacen ventajoso frente al uso de memorias flash

externas, ya que se requiere como punto primordial el ahorro de energía.

84

La configuración de los pines para la tarjeta de desarrollo es la mostrada en la Tabla 18:

# Pin Nombre Uso

1 UART_Tx / DataRDY Si

2 UART_Rx / BUSY Si

3 I2C_SCI No

4 I2C_SDA No

5 SPI_SCK Si

6 SPI_MISO/RTS Si

7 SPI_MOSI Si

8 SPI_SSEL# Si

9 RESET# Si

10 GND Si

11 VCC Si

12 SD_SCK/WAKE/BL# No

13 VBAT No

Tabla 18 Configuración de los pines del uALFAT para comunicación SPI.

Éste módulo se comunica con el ATMEGA128L vía SPI a través del puerto B. El

objetivo de la comunicación entre ellos es guardar en la tarjeta SD la información

proveniente del microcontrolador. Cada cierto tiempo, en la memoria se registrará el

siguiente paquete de datos mostrado a continuación:

Presión Temperatura Sensor de contacto 1 Sensor de contacto 2 Hora Minuto Segundo Dia Mes Año

Para configurar el módulo se fijó inicialmente la línea SPI_SSEL = 1 y SPI_SCK = 1

para indicarle al módulo que la comunicación será vía SPI, y se compiló un código basado en

las librerías que provee el UALFAT [17], las cuales permiten inicializar el dispositivo,

escribir un archivo, leerlo, cerrarlo, abrirlo, entre otras funciones suficientes para lograr

nuestro objetivo (almacenar el paquete de datos a enviar por el microcontrolador en la tarjeta

SD y poder leer los archivos guardados si el microcontrolador lo ordena).

3.2.4 Etapa de Comunicación

3.2.4.1 Modulo Zigbee

El módulo utilizado en la aplicación es el P/N PAN802154HARL fabricado por

Panasonic. Este módulo es un dispositivo de comunicación para transmisiones a baja tasa

85

para largos trayectos. Está basado en la plataforma de desarrollo del diseño de la referencia

del uso del sensor de Freescale™ ZigBee (SARD) y opera en la banda de los 2.4GHz.

El PAN802154HARL usa el transmisor-receptor 802.15.4 de Freescale (MC13193) y

el microcontrolador (GT60). Además, posee en la tarjeta de desarrollo una interfaz RS-232 y

una antena de cerámica para transmitir/recibir en el espectro de radiofrecuencia. El diagrama

del módulo se ilustra en la Figura 37.

Figura 37 Izquierda: Localización de los conectores. Derecha: Módulo Zigbee.

La interfaz RS232 del módulo se comunica con periféricos externos a través de los

jumpers 2 (ver Figura 37, J2). La configuración de estos jumpers es la mostrada en la Tabla

19:

Pin # Nombre del pin Función

J2-1 - no se usa

J2-2 - no se usa

J2-3 RS232_Tx Línea de transmisión para el puerto Serial

J2-4 - no se usa

J2-5 R232_Rx Línea de recepción para el puerto serial

J2-6 - no se usa

J2-7 - no se usa

J2-8 - no se usa

J2-9 GND Tierra

J2-10 - no se usa

Tabla 19 Configuración y funciones de los pines de RS232 del Módulo Zigbee.

86

El cable de conexión vía RS232 entre el módulo y el microcontrolador es configurado

como se ilustra en la Figura 38:

Figura 38 Cable para la conexión vía RS232 del módulo Zigbee.

Los pines de alimentación del módulo se encuentran en el Jumper J4 (ver Figura 37)

y sus funciones están mostradas en la Tabla 20, debido a que no se utiliza el conversor A/D

de éste módulo, no es necesario conectar los pines J4-3 ni J4-4:

Pin # Nombre del pin Función

J4-1 GND Tierra

J4-2 VCC poder

J4-3 GND Tierra

J4-4 AD_REF voltaje de referencia del ADC

Tabla 20 Configuración y funciones de los pines de alimentación del Módulo Zigbee.

Para la aplicación se alimentó el módulo receptor y se conectó su interfaz RS232

como se explicó anteriormente al microcontrolador por uno de los puertos USART de la

tarjeta de desarrollo. Al encender el módulo del coordinador (conectado a una computadora),

su led se ilumina indicando que está siendo alimentado, posteriormente se oprime el pulsador

del coordinador para que éste inicie la búsqueda de dispositivos de recepción y los asocie.

Al encender el dispositivo receptor su led se encenderá y se apagará por breves instantes

indicando que los dispositivos se asociaron.

La configuración para la transmisión por UART es la siguiente: tasa de baudios =

38.4bps, 1 bit de stop, 1 bit de start, sin paridad y sin control de flujo. El módulo coordinador

conectado a una PC, puede enviar un paquete de datos en cualquier momento al módulo

receptor conectado al microcontrolador, ambos con la misma configuración. Los datos son

87

enviados de forma inalámbrica al receptor exactamente como se recibieron de la PC. El

módulo receptor recibe el paquete de datos y los envía vía RS232 hacia el microcontrolador.

El ATMEGA128L responderá a las peticiones del coordinador a través de las rutinas escritas

en el código. Este le devolverá una respuesta al módulo receptor vía RS232 y este a su vez

enviará el paquete de datos de manera inalámbrica por reemplazo de cables hacia el módulo

del coordinador. Un esquema de la comunicación entre los módulos es el mostrado en la

Figura 39.

Figura 39 Esquema de la comunicación entre los módulos zigbee.

La distancia a la cual pueden comunicarse estos dispositivos es de 1000 metros si hay

línea de vista entre los ellos. Si no existe una línea de vista entre los dispositivos, habiendo

obstáculos entre ellos (como por ejemplo edificios) la distancia entre los dos módulos podía

ser tan buena como 60 metros.

3.2.5 Etapa de Alimentación Todas las etapas que componen la aplicación están constituidas por dispositivos

electrónicos que requieren de alimentación para poder realizar apropiadamente sus

funciones. Sin embargo, como es de esperarse, cada etapa tiene sus propios requerimientos

de corriente, voltaje y potencia. Es por ello que el sistema de alimentación de la aplicación

consta de dos etapas las cuales se explicarán a continuación.

3.2.5.1 Fuente de poder del sistema

La fuente de poder principal del sistema (escogida por la empresa Seebeck) consta de

una batería sellada de plomo-ácido regulada por válvula. La batería fue comprada a los

proveedores Interberg de España, los cuales poseen 40 años de experiencia en la fabricación

de baterías para aplicaciones industriales. Una representación de la batería usada es mostrada

en la Figura 40.

88

Figura 40 Batería sellada de plomo-ácido regulada por válvula.

Las dimensiones y características eléctricas de la batería se muestran a continuación

en la Tabla 21.

Voltaje Capacidad Largo (mm) Ancho (mm) Alto (mm) Peso (Kg) 12V 100Ah/10h 171 72 211 8

Tabla 21 Dimensiones y características eléctricas de la batería utilizada.

A partir de esta batería se alimentan todas las etapas de la aplicación. Debido a la

necesidad de un voltaje regulado para algunas etapas, fueron utilizados reguladores

conmutados y lineales para cumplir con los requisitos de corriente y voltaje que demandan

dichas etapas del sistema.

3.2.5.2 Reguladores de voltaje

Debido a la necesidad de alimentar el módulo del zigbee y el microcontrolador con

un voltaje de 3.3V muy estable, y puesto a que el sistema de alimentación de la aplicación

consta de una batería de 12V, fue preciso utilizar un conversor de voltaje DC/DC que maneje

y convierta los 12V provenientes de la batería en un voltaje mucho menor.

Como se mencionó en el marco teórico, el principio de funcionamiento de los

reguladores lineales equivale al de una resistencia conectada entre la entrada y la salida cuyo

valor se ajusta automáticamente, la cual por efecto Joule, disipa en forma de calor el exceso

de potencia eléctrica disponible en la fuente primaria colocada a su entrada (siempre mayor

al que su carga le exige). Basándonos en el planteamiento anterior, es absurdo en términos de

eficiencia, utilizar un regulador lineal directamente desde la batería de 12V para lograr un

voltaje regulado de 3.3V.

89

El conversor utilizado es del tipo Reductor (Buck), ya que el voltaje proveniente de la

batería será reducido eficientemente (hablando en términos de rendimiento energético) a 5V

para su posterior uso en las etapas de la aplicación que demanden un voltaje regulado menor.

El conversor está basado en el chip LT3430, el cual tiene un amplio rango de aceptación de

voltaje de entrada y ofrece una corriente de salida de 3A, suficientes para los requerimientos

de nuestro circuito.

La prestación más idónea de la tarjeta de conversión DC-DC utilizada es su

capacidad de ofrecer directamente los 3.3V necesarios para alimentar tanto al

microcontrolador como al módulo del zigbee. Esto se debe a que la tarjeta cuenta con un

regulador lineal LM3940, el cual al ser alimentado con 5V (provenientes del conversor

LT3430) ofrece a su salida 3.3V fijos con 3A. Por lo tanto nos ofrece la versatilidad de una

salida de 5V o de 3.3V dependiendo únicamente de la posición de 1 jumper (Ver círculo rojo

en la Figura 41). El diagrama circuital de la tarjeta de conversión de voltaje utilizada se

muestra a continuación en la Figura 41.

Figura 41 Diagrama circuital de la tarjeta de conversión de voltaje DC-DC utilizada.

90

3.3 Lógica de Programación

El código desarrollado en el ATMEGA128L a través del compilador CodevisionAVR

persigue de manera general la siguiente lógica:

Rutina principal

Interrupción del modulo TIMER1

Esta interrupción está programada para que se origine cada 100 ms al ocurrir un

overflow. En la rutina principal se definieron variables como: adq_TIME = 10*n, seg = 0 y

n= 2. Al entrar en la interrupción, el microcontrolador sigue la siguiente rutina:

91

Interrupción por recepción de la UART

Esta interrupción está programa para efectuarse cada vez que el módulo Zigbee

detecte una transmisión y se la envíe al microcontrolador vía RS232. El propósito de esta

interrupción es estar alertar a los requerimientos de la unidad principal (PC) transmitidos a

través del coordinador. Al detectarse la interrupción se seguirá la siguiente lógica:

4 DISEÑO DEL PCB

Las etapas de registro, almacenamiento, comunicación y alimentación de la aplicación

se encuentran dispuestas en PCB. Por lo tanto, a la única etapa que faltaría por realizarle su

respectiva tarjeta impresa sería a la etapa de adquisición/acondicionamiento de la señal.

En este apartado se explica los criterios en los que se basó la construcción del PCB

para dicha etapa. Además, se mostrará el resultado final de la elaboración de la tarjeta

impresa.

4.1 Criterios de diseño

Consideraciones generales

Considerando que el circuito al cual se le fabricó su PCB es un circuito

completamente analógico y que los efectos de ruido producto del mismo PCB son más

notorios en circuitos analógicos de altas velocidades, es propicio usar técnicas especiales

92

para la disposición de los componentes en la tarjeta impresa. Esto ayudará a que los efectos

de ruido producto del PCB sean transparentes al circuito.

El ruido es la limitación primaria en el funcionamiento de un circuito analógico.

Algunos tipos de ruido considerados en la fabricación del PCB fueron:

Emisiones conducidas es el ruido que los circuitos analógicos generan al ser

conectados con otros circuitos. Generalmente este tipo de ruido es insignificante en

circuitos analógicos, a menos que sea un circuito que demande alta energía (tal como

un amplificador audio que exige grandes corrientes a la fuente de alimentación), lo

cual no es nuestro caso.

Emisiones irradiadas es el ruido que generan (transmiten) los circuitos analógicos a

través del aire. Este también es generalmente insignificante en circuitos analógicos, a

menos que sea de alta frecuencia como por ejemplo un vídeo, lo cual no es nuestro

caso.

Susceptibilidad a la conducción es el ruido proveniente de circuitos externos que es

conducido al circuito analógico a través de sus conexiones a otros circuitos. Debido a

que todo circuito analógico se debe conectar con el “mundo exterior” por lo menos

con una conexión a tierra, una conexión a energía, una entrada, y una salida. El ruido

se puede conducir en el circuito a través de todas esas trayectorias, así como a través

de cualquiera otra que esté presente.

Susceptibilidad a la Irradiación es el ruido que se recibe a través del aire (o es

transmitido a los circuitos analógicos) a partir de alguna fuente externa. En muchos

casos, los circuitos analógicos que residen en un PCB pueden contener también

circuitos con lógica digital de alta velocidad incluyendo chips DSP, relojes de alta

velocidad y las señales digitales conmutadas, que crean una considerable

interferencia de radiofrecuencia (IRF). Además, existen un sin fin de fuentes capaces

de irradiar ruido, entre las comunes que podrían afectar nuestra aplicación tenemos:

circuitos digitales próximos (en nuestros caso el módulo del zigbee), relámpagos,

truenos, entre otros.

93

Construcción mecánica del PCB

Es importante además seleccionar un PCB con las características mecánicas

apropiadas para nuestra aplicación. Para ello hay que tomar en cuenta el tipo de material con

el que se desea fabricar el sustrato y el grueso de la lámina de cobre.

Los materiales de fabricación del PCB están disponibles en varios grados según lo

define la Asociación Nacional de Fabricantes de Material Eléctrico (NEMA, National

Electrical Manufacturers Association). Sería muy conveniente si esta organización estuviese

aliada con la industria de electrónica – para que controlen parámetros como: resistencia y

constante dieléctrica del material. Desafortunadamente, ése no es el caso. La NEMA es una

organización eléctrica de seguridad, y los diversos grados del PCB describen sobre todo la

inflamabilidad, la estabilidad a altas temperaturas y la absorción de la humedad de la tarjeta.

Por lo tanto, al especificar un grado para el material de construcción no se garantizan los

parámetros eléctricos del material.

Los materiales laminados se etiquetan con FR (lo cual representa la resistencia a la

llama) y con G (lo cual representa los grados). Para nuestra aplicación se recomienda el uso

del material FR-4 (material de resina epoxi/fibra de vidrio), ya que este es frecuentemente

utilizado en aplicaciones industriales de alta calidad. Además ofrece excelentes propiedades

tanto mecánicas como eléctricas. La recomendación de este material es basada en que

necesitamos una baja absorción de la humedad y un buen desempeño a altas temperaturas, ya

que este equipo estará situado en la intemperie en el lago de Maracaibo afrontando una

temperatura ambiente de 60º C y una humedad relativa del 80%.

Después de seleccionar el material del substrato de la tarjeta, la siguiente decisión fue

cuál será el grosor de la lámina de cobre. Como el circuito no tendrá un gran consumo de

energía, es suficiente con realizar láminas de 1 onza de cobre [18].

El siguiente paso en el diseño del PCB es escoger de cuantas capas se fabricará la

tarjeta, teniendo como opciones: de una capa, de dos o de múltiples capas. Sin embargo, se

decidió realizarlo en dos capas por las razones que se expondrán a continuación:

El diseño de una sola capa es barato pero extremadamente susceptible al ruido

producto de radiaciones, lo cual a la larga podría dar muchas complicaciones al circuito

94

analógico a montarse y causar un funcionamiento imprevisto o en el mejor caso “falsas

mediciones” en datos que deben ser muy precisos.

Las tarjetas de doble cara son sencillas de “cablear” gracias al hecho de tener la

posibilidad de dos láminas para poder enrutar las señales. Además, el poder reservar la capa

inferior para un plano de tierra y enrutar el resto de las señales en la capa superior nos

proporciona ciertas ventajas, tales como:

Dado a que la tierra es con frecuencia la conexión más común del circuito, es sensato

tenerla continua en la capa inferior para obtener un sencillo enrutamiento del circuito.

Aumenta la fuerza mecánica de la tarjeta.

Baja la impedancia de todas las conexiones de tierra en el circuito, lo cual reduce el

ruido conducido indeseable.

Agrega una capacitancia distribuida a cada red en el circuito - ayudando a suprimir el

ruido irradiado.

Actúa como un protector al ruido irradiado que viene por debajo de la tarjeta.

Por último, las tarjetas de doble cara a pesar de sus ventajas, no son el mejor método

de construcción, especialmente para los diseños sensibles o de alta velocidad. El grosor más

común de la tarjeta es de 1.5 milímetros [18], y esta separación es demasiado grande para

poder disfrutar completamente de algunas de las ventajas enumeradas arriba, como por

ejemplo, debido al grosor de la tarjeta la capacitancia distribuida será muy baja.

Diseños críticos demandan la fabricación de un PCB de múltiples capas por varias razones:

Obtener un mejor enrutamiento para la energía así como sucede con las conexiones

de tierra. Si la energía está también en un plano, está disponible para todos los puntos

en el circuito simplemente agregando vías (conexiones entre las capas de un PCB).

Al estar otras capas disponibles para el enrutamiento de la señal, se hace más sencillo

este proceso.

Habrá una capacitancia distribuida entre el plano de energía y el de tierra, reduciendo

el ruido de alta frecuencia.

Se obtiene un mejor rechazo a las interferencias electromagnéticas y de

radiofrecuencia (EMI/RFI). Esto se debe al efecto de imagen del plano, cuando un

95

conductor se coloca cerca de una superficie conductora paralela, la mayor parte de las

corrientes de alta frecuencia volverán directamente debajo del conductor, fluyendo en

la dirección opuesta. Esta imagen del espejo del conductor dentro del plano crea una

línea de la transmisión. Puesto que las corrientes son iguales y contrarias en la línea

de la transmisión, es relativamente inmune al ruido irradiado. Los efectos de la

imagen del plano trabajan bien tanto con los planes de tierra como con los planos de

energía, pero ellos deben ser continuos. Cualquier boquete o discontinuidad hace que

los efectos beneficiosos desaparezcan rápidamente.

Después de todos los basamentos anteriores, podríamos concluir que la mejor opción

es realizar un PCB con múltiples capas, sin embargo, dada la simplicidad del circuito y a que

sería óptimo poder fabricarlo en el país a un costo de venta razonable; es preferible la opción

de un circuito de doble capa, ya que nos ofrece ventajas, costo y disponibilidad acorde con

las necesidades.

Aterramiento

Como el circuito montado en PCB es completamente analógico, no se tuvo que tomar

medidas de distribución en cuanto a dividir la tarjeta en un sector analógico y otro digital, lo

cual es uno de los métodos más simples y más eficaces de supresión del ruido. Sin embargo,

si se tomaron en cuenta las siguientes consideraciones:

Los circuitos que se montaron en el PCB tienen tierras separadas. Aunque “tierras

separadas” no implica que las tierras estén separadas eléctricamente en el sistema.

Tienen que ser comunes en un cierto punto, preferiblemente uno solo y que sea un

punto de baja impedancia. Todos los retornos se conectaron juntos en un solo punto,

que es el llamado “la tierra del sistema” o chasis. Se evitó crear los lazos de tierra a

través de múltiples conexiones al chasis.

Se realizaron rutas tan cortas como era posible.

Se colocó el circuito analógico lo más cercano posible a los pines de entrada-salida

de la tarjeta.

96

Características de las pistas del PCB

El patrón de disposición de los componentes en un PCB puede hacerlo susceptible al

ruido irradiado. Una buena disposición es una que reduce al mínimo la susceptibilidad del

circuito analógico a tantas fuentes de ruido irradiadas como sea posible.

Una tarjeta es susceptible al ruido irradiado porque el patrón de las rutas y los brazos

de los componentes forman antenas. Un tipo básico de antena es el conductor recto. Esta

antena funciona porque un conductor recto tiene una inductancia parásita, y por lo tanto

puede concentrar flujo de fuentes externas.

Otro tipo importante de antena es el lazo. La inductancia de un conductor recto

aumenta dramáticamente al doblarlo en lazos parciales o completos. Al aumentar la

inductancia, baja la frecuencia en la cual el conductor junta señales irradiadas en el circuito.

.

Cuando no se utiliza un plano de tierra, se forma un lazo entre la señal y la tierra.

Esto produce un campo eléctrico E y un campo magnético perpendicular H, que forman la

base de una antena de lazo.

Al utilizar un diseño de dos capas, se forma una antena de lazo mucho más pequeña a

la del caso anterior por la diferencia entre la ruta de la señal y la de retorno.

Para mejorar el diseño, la señal y el retorno deben coincidir uno a uno, para así

eliminar totalmente los efectos de antena de lazo.

Reflexiones producto de las pistas

Una reflexión puede ocurrir cuando una ruta del PCB se desvía en un ángulo de 90º

de su dirección original. Esto se debe principalmente al cambio en el ancho de la pista.

Cuando la pista se desvía, su anchura aumenta a 1.414 veces su ancho, lo cual perturba las

características de la línea, especialmente la capacitancia y la autoinductancia distribuidas en

la pista, ocasionando una reflexión. Dado a que no todas las rutas del PCB pueden ser rectas,

tendrán que curvearse, pero para esto se hizo uso del sistema que posee la herramienta

Protel, el cual da un cierto efecto de redondeo sobre las pistas.

97

El desacoplamiento

El ruido puede propagarse en el circuito analógico a través de los pines de poder del

circuito. Para resolver esto, es común utilizar los condensadores de “puente” usualmente

llamados de Bypass necesarios para reducir el ruido de acople proporcionado por la fuente de

energía de baja impedancia.

Es indispensable la selección de condensadores apropiados, la Tabla 22 describe los

tipos más comunes de condensador y las máximas frecuencias donde son útiles. Altas

frecuencias demandan el uso de un condensador de cerámico. Sin embargo, la auto

resonancia del condensador debe ser conocida y evitada, sino el condensador podría no sólo

no ayudar, sino empeorar el problema.

Tipo Máxima Frecuencia

Electrolítico de Aluminio 100 KHz

Electrolítico de Tantalum 1 MHz

Mica 500 MHz

Cerámico 1 GHz

Tabla 22 Condensadores más comunes con las máximas frecuencias donde son útiles.

En la Figura 42 se ilustra la auto resonancia típica del condensador utilizado en la

aplicación (de 0.01 µ F cerámico).

Figura 42 Auto-resonancia típica de un condensador de 0.01uF.

98

4.2 Diseño del PCB

Para el diseño del circuito impreso se utilizó la herramienta Altium Designer, DXP,

Protel 2004 y se consideraron los puntos mencionados en el apartado anterior.

El primer paso en este programa es realizar el esquemático del circuito al cual se le

realizará el PCB. Para esto la herramienta cuenta con un variado panel de librerías que

incluyen muchos de los dispositivos electrónicos comúnmente utilizados, los cuales están

ordenados rigurosamente en carpetas diferenciadas por sus fabricantes. Si el dispositivo no

aparece en las librerías, Protel ofrece la opción de crear un dispositivo nuevo y de añadirle o

crear su respectivo footprint (esquemático del dispositivo electrónico que se dibuja en la

tarjeta impresa).

En nuestro caso, el circuito montado consta de varios componentes comunes pasivos

(resistencias, condensadores, transistores npn, diodos, molex, entre otros) y de dos ICs. Los

circuitos integrados utilizados son los transmisores XTR101 del fabricante Burr-Brown. Este

se encuentra dentro de las carpetas de fabricantes ofrecidas en las librerías de Protel, sin

embargo, el modelo utilizado para la aplicación, el XTR101AP, no se encuentra disponible.

Por lo tanto se procedió a crear una librería nueva que incluyese el IC requerido. Para ello se

diseñó el esquemático del chip y se le agregó el footprint adecuado, en nuestro caso sería un

DIP-14 pines.

El módulo que requiere de un PCB es el de acondicionamiento, que incluye el

circuito de acondicionamiento de temperatura más el de presión. Ambos circuitos requieren de

una alimentación común, por lo tanto se colocó en la tarjeta impresa un molex de 4 pines

donde cada uno de ellos sería: Vcc y GND (ambos compartidos por los dos circuitos), la señal

de salida del circuito de presión y la señal de salida proveniente del circuito de temperatura.

Estos 4 pines son los encargados de dar comunicación al módulo con otros módulos externos.

Además, se colocaron 2 molex para poder conectar posteriormente los sensores que medirán

los parámetros físicos requeridos.

El esquemático del circuito montado es el que se ilustra en la Figura 43. Como se

observa en él, se etiquetaron los pines de Vcc, GND, salida de presión (Sal_Presion) y salida

de temperatura (Sal_Temp) para una mejor comprensión del circuito. La herramienta Protel

99

ofrece la posibilidad de chequear si el esquemático cumple con ciertos parámetros eléctricos y

de conexión que se establecen al comienzo del proceso, y de esta forma alertar si alguna

violación ocurriese y de esta forma corregirla.

Figura 43 Diagrama circuital completo del módulo de acondicionamiento.

Después que el esquemático fue creado y compilado, asegurándonos que la

compilación ocurrió sin errores, procedemos a crear el PCB para él. Para ello, el primer paso

es fijar ciertas características como: la unidad empleada para realizar cálculos, el tamaño del

PCB, el número de capas, el tipo de montaje (through-hole o superficial) y las dimensiones

tanto de las pistas como de las vías. En nuestro caso se utilizó:

El sistema imperial o Británico, donde 1 mils (milésima de pulgada) equivale a 1

inch y 1 inch equivale a 2.54 cm.

El tamaño del PCB fue fijado en 8 x 6 cm, o lo que es lo mismo 3150 x 2360

mils.

El número de capas fue fijado a dos, una capa para las pistas de las señales en

general y de Vcc y la otra capa que constituirá un plano de tierra.

Las dimensiones de las pistas se fijaron en 12 mils de ancho para las rutas de las

señales y de 25 mils de ancho para las rutas de Vcc.

100

Las dimensiones de las vías se fijaron en 25 mils para el diámetro menor y el

diámetro mayor en 40 mils, en la Figura 44 se muestra las dimensiones de las

vías.

Figura 44 Dimensiones de las vías del PCB.

El siguiente paso es fijar las reglas de diseño tales como: las características eléctricas

y las de “cableado” como por ejemplo el ángulo con el que se trazarán las desviaciones en las

pistas, en la Figura 45 se muestra la técnica empleada:

Figura 45 Dimensiones de las pistas redondeadas del PCB.

Finalmente, cuando todas las características están adecuadamente configuradas,

procedemos a distribuir los componentes del PCB en la tarjeta. Seguidamente, unimos los

componentes a través de las pistas en la capa que designamos especialmente para esta labor y

luego fijamos las posiciones de las vías hacia la capa que contiene el plano de tierra. El PCB

terminado se muestra en la Figura 46.

101

Figura 46 PCB completo del módulo de acondicionamiento.

Para asegurarnos de que todo quedó de acuerdo con las reglas que establecimos al

inicio del procedimiento, corremos la herramienta de Protel DRC (Design Rule Check,

Chequeo de las reglas de diseño) y si no tenemos mensajes de error habremos culminado de

realizar el PCB de una forma satisfactoria.

102

5 RESULTADOS Y ANÁLISIS Se realizaron varias pruebas módulo a módulo de la aplicación para comprobar su

correcta operación y medir errores como se plantea a continuación:

Pruebas de sensores conectados al circuito de acondicionamiento

Se aplicó calor y fuerza tanto a los sensores utilizados en la aplicación como a

instrumentos industriales aprobados para cada medición (temperatura y presión) a los cuales

llamaremos transductor patrón o de referencia, y al comparar la salida de los sensores

utilizados en la aplicación con la ofrecida por los transductores de referencia, se encontró en

principio errores no admitidos en la precisión, para esto se cambió el juego de resistencia de

los circuitos acondicionadores y se volvió a realizar la prueba, comprobándose que los

circuitos acondicionadores funcionan según lo esperado.

Pruebas del módulo de acondicionamiento conectado al de registro

Se conectó los sensores al módulo de acondicionamiento y después de adaptar su

salida a la ideal para el módulo de registro (conformado por el microcontrolador) se

expusieron nuevamente los sensores a la magnitud física para la que están fabricados, y se

comprobó por inspección a través de Hyperterminal que los valores recolectados por el ADC

y codificados para representar un valor legible de temperatura y presion según sea el caso,

correspondían con los valores deseados y dentro de la precisión requerida. En la Tabla 23 y

la Tabla 24 se tabuló algunos datos de las pruebas realizadas tanto para presión como para

temperatura.

Termocupla industrial (° C) RTD (° C) Error 28 27,94 0,21 31 31,03 0,10 23 22,96 0,17 18 17,97 0,17 40 39,89 0,28 26 26,01 0,04 45 44,87 0,29

Promedio 0,18 Tabla 23 Pruebas de temperatura realizadas a los módulos de acondicionamiento y registro.

103

Instrumento industrial (psi) Sensor de Presión (psi) Error 100 98,6 1,4 80 81 1,25 50 50,10 0,20 75 74,13 1,16 63 62,74 0,41

Promedio 0,88 Tabla 24 Pruebas de presión realizadas a los módulos de acondicionamiento y registro.

Pruebas de comunicación

En primera instancia para probar los módulos del zigbee se hizo una prueba sencilla,

se conectó el módulo coordinador a una computadora a través del terminal RS232 y de igual

forma se conectó el módulo receptor a otra computadora vía RS232 ambas configuradas a

una velocidad de 38.4Kbps. El primer paso fue asociar los módulos al encender el

coordinador y luego el receptor, en seguida mediante la herramienta Hyperterminal se mandó

un mensaje al módulo receptor y éste lo recibió.

En segunda instancia se probó conectar los módulos del zigbee al resto de la

aplicación una vez que estuvo totalmente probada. Las conexiones fueron de la siguiente

manera: el módulo coordinador se conectó a una computadora vía Hyperteminal y el módulo

receptor se conectó por RS232 al microcontrolador. Se realizó un programa de prueba

sencillo para que al recibir un comando de la PC, el microcontrolador ofreciera una respuesta

apropiada y se la enviase de regreso a la PC. La prueba resultó satisfactoria, sin embargo,

cuando se intentó enviar información desde un salón a otro alejados aproximadamente unos

100 m, la comunicación dio fallas. Por lo tanto se recomienda el uso de repetidoras de alta

ganancia en el trayecto entre un módulo y otro o simplemente habrá que colocar varios

módulos receptores a poca distancia (menos de 80 m) si no hay línea de visión para asegurar

una comunicación fiable.

104

6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El prototipo funciona según los requerimientos exigidos, sin embargo se debe

estudiar más a fondo otras posibilidades de mejoras en la calidad del proyecto, sobre todo al

nivel de ahorro de energía y de alcanzar la precisión deseada para los valores medidos. Es

recomendable probar que tanto mejoran los resultados utilizando un conversor AD de 12

bits. Es aconsejable realizar otras pruebas posteriores a fin de verificar el comportamiento

del circuito en todo el rango posible de presión y temperatura al cual serán sometidos los

sensores, puesto que no se contaba con los instrumentos ni medidas de seguridad necesarias

para realizar estas pruebas.

La ventaja principal del diseño del sistema es su modularidad, característica que lo

hace muy versátil para pruebas de nuevos dispositivos con miras hacia la optimización a

futuro de la aplicación.

Basándonos en un ahorro de energía, dado a que lo ideal es que la batería con la cual

se alimenta la aplicación opere apropiadamente la mayor cantidad de tiempo posible; seria

ideal estudiar la posibilidad de poner a trabajar el microcontrolador en un estado de

“dormido” para que sólo funcione el módulo del contador a través de un oscilador de cristal

de 32KHz y se despierte el microcontrolador completo al entrar en las rutinas de atención de

la interrupción ocasionada al módulo del contador. Dentro de esta rutina habría que verificar

si hubo algún requerimiento de configuración o de lectura de la memoria, ya que fuera de la

rutina todos los módulos se encontrarían apagados.

Los componentes de tipo “trough-hole”, debido a su tamaño, son más apropiados

para aplicaciones donde el espacio no sea un requerimiento muy importante (como es nuestro

caso). Sin embargo, estos componentes aunque resultan de menor costo que los de montura

superficial, a la hora de fabricar el PCB implican más costo debido a que las casas de

fabricación de circuitos impresos tienen que perforar los agujeros donde se ubicarán los

componentes. El número de agujeros y la variación del diámetro de estos tienen un impacto

105

grande en el precio. Además, por cuestiones de ruido mencionadas oportunamente, no es

conveniente crear huecos ni obstrucciones de ningún estilo en planos de tierra o de poder.

Por lo tanto se sugiere el uso de componentes con montura superficial para el diseño final.

Cuando se vaya a soldar el PCB, es recomendable cortar los brazos de los

componentes la mayor longitud posible, ya que si éstos tienen un largo significativo

formarán antenas y particularmente si están doblados.

Es de vital importancia una buena limpieza del PCB inclusive con agua destilada, ya

que los circuitos impresos pueden ser afectados fuertemente si se encuentran sucios o si

poseen residuos del material de limpieza; y estas impurezas bajarán las características de

aislamiento del substrato.

106

7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Creus, Antonio, “Instrumentación Industrial”, Cuarta edición. Editores Boixareu,

Barcelona-España. (1989).

[2] Jung, Walt. “Op Amp Applications Handbook”, Analog Device, Inc. (2005).

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[3] García Abían, Jonathan, “Sistema prototipo fly-by-wire”, Trabajo final de carrera,

Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, pp. 33-36. (2005).

Disponible en: http://bibliotecnica.upc.es/PFC/arxius/migrats/35753-1.pdf.

[4] Mayné, Jordi, “Sistemas de comunicaciones”, SILICA, pp. 40-41. (2004).

[5] Tanenbaum, Andrew S., “Redes de computadoras”, Prentice Hall, México, pp. 26-37,

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[6] S. Wurcer, L. Counts, “A Programmable Instrumentation Amplifier for 12-Bit

Resolution Systems”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-17 #6, (Dec.

1982), pp. 1102–1111.

[7] RS-232. Disponible: http://es.wikipedia.org/wiki/RS-232.

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Disponible en: http://www.netvouz.com/pipistrellum?tags=sistemas_comunicaciones_r35_silica.pdf.

[9] Hamacher, C., Vranesic, Z. y S. Zaky, “Computer Organization”, 5ta edición, Mc

Graw Hill, pp. 272-282. (2002).

[10] “Protocolo Modbus Guía de referencia” MODICON, Inc., Industrial Automation

Systems. (Junio 1996).

[11] Gottlieb, Irving, “Regulated Power Supplies”, 4ta edición, Editorial TAB. (1992).

[12] Ruiz, Gustavo “Electrónica básica para Ingenieros” Capítulo 11, pp 196-197.

Disponible en: http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/html.files/LibroWeb.html

[13] Circuito impreso. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_impreso

[14] Comunicación serial: conceptos generales.

Disponible en: http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/039001258CEF8FB686256E0F005888D1.

[15] García Abían, Jonathan, “Sistema prototipo fly-by-wire”, Trabajo final de carrera,

Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, pp. 33-36. (2005).

107

Disponible en: http://bibliotecnica.upc.es/PFC/arxius/migrats/35753-1.pdf.

[16] Jung, Walt. “Op Amp Applications Handbook”, Analog Device, Inc. (2005). Capítulo

7.2.

[17] Tarjeta uALFAT con conector transflash para una SD.

Disponible en: http://www.ghielectronics.com

[18] “Analog Dialog 30th Anniversary Issue”, Analog Devices, Ask the Applications

Engineer–10, James Bryant.

8 ANEXOS

En la siguiente tabla se muestran los datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino, estándar PIA con Ro=99.996 Ω y A, B, C cero. TC=3.93e-3. Los valores de las resistencias están en Ohms:

Temp

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 °C

0 999,96 100,39 100,79 101,19 101,59 101,99 102,39 102,79 103,18 103,58

10 103,98 104,38 104,77 105,17 105,57 105,97 106,36 106,76 107,16 107,55

20 107,95 108,35 108,74 109,14 109,53 109,93 110,33 110,72 111,12 111,51

30 111,91 112,30 112,70 113,09 113,49 113,88 114,28 114,67 115,06 115,46

40 115,85 116,25 116,64 117,03 117,43 117,82 118,21 118,61 119,00 119,39

50 119,79 120,18 120,57 120,96 121,36 121,75 122,14 122,53 122,93 123,32

60 123,71 124,10 124,49 124,88 125,27 125,67 126,06 126,45 126,84 127,23

70 127,62 128,01 128,40 128,79 129,18 129,57 129,96 130,35 130,74 131,13

80 131,52 131,91 132,30 132,68 133,07 133,46 133,85 134,24 134,63 135,02

90 135,40 135,79 136,18 136,57 136,95 137,34 137,73 138,12 138,50 138,89

100 139,28 139,66 140,05 140,44 140,82 141,21 141,60 141,98 142,37 142,75

110 143,14 143,53 143,91 144,30 144,68 145,07 145,45 145,84 146,22 146,61

120 146,99 147,37 147,76 148,14 148,53 148,91 149,29 149,68 150,06 150,44

130 150,83 151,21 151,59 151,98 152,36 152,74 153,13 153,51 153,89 154,27

140 154,65 155,04 155,42 155,80 156,18 156,56 156,95 157,33 157,71 158,09

150 158,47 158,85 159,23 159,61 159,99 160,37 160,75 161,13 161,51 161,89

160 162,27 162,65 163,03 163,41 163,79 164,17 164,55 164,93 165,31 165,69

170 166,06 166,44 166,82 167,20 167,58 167,95 168,33 168,71 169,09 169,47

180 169,84 170,22 170,60 170,97 171,35 171,73 172,10 172,48 172,86 173,23

190 173,61 173,99 174,36 174,74 175,11 175,49 175,87 176,24 176,62 176,99

200 177,37 177,74 178,12 178,49 178,87 179,24 179,61 179,99 180,36 180,74

210 181,11 181,48 181,86 182,23 182,60 182,98 183,35 183,72 184,10 184,47

220 184,84 185,22 185,59 185,96 186,33 186,70 187,08 187,45 187,82 188,19

230 188,56 188,94 189,31 189,68 190,05 190,42 190,79 191,16 191,53 191,90

240 192,27 192,64 193,01 193,38 193,75 194,12 194,49 194,86 195,23 195,60

108

250 195,97 196,34 196,71 197,08 197,45 197,81 198,18 198,55 198,92 199,29

260 199,66 200,02 200,39 200,76 201,13 201,49 201,86 202,23 202,60 202,96

270 203,33 203,70 204,06 204,43 204,80 205,16 205,53 205,90 206,26 206,63

280 206,99 207,36 207,72 208,09 208,46 208,82 209,19 209,55 209,92 210,28

290 210,64 211,01 211,37 211,74 212,10 212,47 212,83 213,19 213,56 213,92

300 214,28 214,65 215,01 215,37 215,74 216,10 216,46 216,82 217,19 217,55

310 217,91 218,27 218,64 219,00 219,36 219,72 220,08 220,44 220,81 221,17

320 221,53 221,89 222,25 222,61 222,97 223,33 223,69 224,05 224,41 224,77

330 225,13 225,49 225,85 226,21 226,57 226,93 227,29 227,65 228,01 228,37

340 228,73 229,09 229,44 229,80 230,16 230,52 230,88 231,24 231,59 231,95

350 232,31

Tabla 25 Datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino (PIA).

En la siguiente tabla se muestran los datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino, estándar PA con Ro=100 Ω y A=0.0039848, B=-5.87e-07, C=-4e-12. TC=3.92e-3. Los valores de las resistencias están en Ohms:

Temp

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 °C

0 100,00 100,40 100,80 101,19 101,59 101,99 102,39 102,79 103,18 103,58

10 103,98 104,38 104,77 105,17 105,57 105,96 106,36 106,76 107,15 107,55

20 107,95 108,34 108,74 109,13 109,53 109,93 110,32 110,72 111,11 111,51

30 111,90 112,30 112,69 113,09 113,48 113,87 114,27 114,66 115,06 115,45

40 115,85 116,24 116,63 117,03 117,42 117,81 118,21 118,60 118,99 119,38

50 119,78 120,17 120,56 120,95 121,35 121,74 122,13 122,52 122,91 123,31

60 123,70 124,09 124,48 124,87 125,26 125,65 126,04 126,43 126,83 127,22

70 127,61 128,00 128,39 128,78 129,17 129,56 129,95 130,33 130,72 131,11

80 131,50 131,89 132,28 132,67 133,06 133,45 133,84 134,22 134,61 135,00

90 135,39 135,78 136,16 136,55 136,94 137,33 137,71 138,10 138,49 138,87

100 139,26 139,65 140,03 140,42 140,81 141,19 141,58 141,97 142,35 142,74

110 143,12 143,51 143,89 144,28 144,66 145,05 145,43 145,82 146,20 146,59

120 146,97 147,36 147,74 148,13 148,51 148,89 149,28 149,66 150,04 150,43

130 150,81 151,19 151,58 151,96 152,34 152,73 153,11 153,49 153,87 154,25

140 154,64 155,02 155,40 155,78 156,16 156,55 156,93 157,31 157,69 158,07

150 158,45 158,83 159,21 159,59 159,97 160,35 160,73 161,11 161,49 161,87

160 162,25 162,63 163,01 163,39 163,77 164,15 164,53 164,91 165,29 165,67

170 166,05 166,42 166,80 167,18 167,56 167,94 168,31 168,69 169,07 169,45

180 169,82 170,20 170,58 170,96 171,33 171,71 172,09 172,46 172,84 173,22

190 173,59 173,97 174,34 174,72 175,10 175,47 175,85 176,22 176,60 176,97

200 177,35 177,72 178,10 178,47 178,85 179,22 179,60 179,97 180,34 180,72

210 181,09 181,47 181,84 182,21 182,59 182,96 183,33 183,71 184,08 184,45

220 184,82 185,20 185,57 185,94 186,31 186,69 187,06 187,43 187,80 188,17

230 188,55 188,92 189,29 189,66 190,03 190,40 190,77 191,14 191,51 191,88

240 192,25 192,62 192,99 193,36 193,73 194,10 194,47 194,84 195,21 195,58

250 195,95 196,32 196,69 197,06 197,43 197,80 198,16 198,53 198,90 199,27

109

260 199,64 200,00 200,37 200,74 201,11 201,48 201,84 202,21 202,58 202,94

270 203,31 203,68 204,04 204,41 204,78 205,14 205,51 205,88 206,24 206,61

280 206,97 207,34 207,70 208,07 208,43 208,80 209,16 209,53 209,89 210,26

290 210,62 210,99 211,35 211,72 212,08 212,44 212,81 213,17 213,53 213,90

300 214,26 214,62 214,99 215,35 215,71 216,08 216,44 216,80 217,16 217,53

310 217,89 218,25 218,61 218,97 219,34 219,70 220,06 220,42 220,78 221,14

320 221,50 221,86 222,22 222,58 222,95 223,31 223,67 224,03 224,39 224,75

330 225,11 225,47 225,83 226,18 226,54 226,90 227,26 227,62 227,98 228,34

340 228,70 229,06 229,41 229,77 230,13 230,49 230,85 231,20 231,56 231,92

350 232,28

Tabla 26 Datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino (PA).

En la siguiente tabla se muestran los datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino, estándar PC con Ro=100 Ω y A=0.003908, B=-5.8019e-07, C=-4.2735e-12. TC=3.89e-3:

Temp

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 °C

0 100,00 100,39 100,78 101,17 101,56 101,95 102,34 102,73 103,12 103,51

10 103,90 104,29 104,68 105,07 105,46 105,85 106,24 106,63 107,02 107,40

20 107,79 108,18 108,57 108,96 109,35 109,73 110,12 110,51 110,90 111,28

30 111,67 112,06 112,45 112,83 113,22 113,61 113,99 114,38 114,77 115,15

40 115,54 115,93 116,31 116,70 117,08 117,47 117,85 118,24 118,62 119,01

50 119,40 119,78 120,16 120,55 120,93 121,32 121,70 122,09 122,47 122,86

60 123,24 123,62 124,01 124,39 124,77 125,16 125,54 125,92 126,31 126,69

70 127,07 127,45 127,84 128,22 128,60 128,98 129,37 129,75 130,13 130,51

80 130,89 131,27 131,66 132,04 132,42 132,80 133,18 133,56 133,94 134,32

90 134,70 135,08 135,46 135,84 136,22 136,60 136,98 137,36 137,74 138,12

100 138,50 138,88 139,26 139,64 140,02 140,39 140,77 141,15 141,53 141,91

110 142,29 142,66 143,04 143,42 143,80 144,17 144,55 144,93 145,31 145,68

120 146,06 146,44 146,81 147,19 147,57 147,94 148,32 148,70 149,07 149,45

130 149,82 150,20 150,57 150,95 151,33 151,70 152,08 152,45 152,83 153,20

140 153,57 153,95 154,32 154,70 155,07 155,45 155,82 156,19 156,57 156,94

150 157,31 157,69 158,06 158,43 158,81 159,18 159,55 159,93 160,30 160,67

160 161,04 161,41 161,79 162,16 162,53 162,90 163,27 163,65 164,02 164,39

170 164,76 165,13 165,50 165,87 166,24 166,61 166,98 167,35 167,72 168,09

180 168,46 168,83 169,20 169,57 169,94 170,31 170,68 171,05 171,42 171,79

190 172,16 172,53 172,89 173,26 173,63 174,00 174,37 174,74 175,10 175,47

200 175,84 176,21 176,57 176,94 177,31 177,68 178,04 178,41 178,78 179,14

210 179,51 179,88 180,24 180,61 180,97 181,34 181,71 182,07 182,44 182,80

220 183,17 183,53 183,90 184,26 184,63 184,99 185,36 185,72 186,09 186,45

230 186,81 187,18 187,54 187,91 188,27 188,63 189,00 189,36 189,72 190,09

240 190,45 190,81 191,18 191,54 191,90 192,26 192,63 192,99 193,35 193,71

250 194,07 194,44 194,80 195,16 195,52 195,88 196,24 196,60 196,96 197,33

260 197,69 198,05 198,41 198,77 199,13 199,49 199,85 200,21 200,57 200,93

270 201,29 201,65 202,01 202,36 202,72 203,08 203,44 203,80 204,16 204,52

280 204,88 205,23 205,59 205,95 206,31 206,67 207,02 207,38 207,74 208,10

110

290 208,45 208,81 209,17 209,52 209,88 210,24 210,59 210,95 211,31 211,66

300 212,02 212,37 212,73 213,09 213,44 213,80 214,15 214,51 214,86 215,22

310 215,57 215,93 216,28 216,64 216,99 217,35 217,70 218,05 218,41 218,76

320 219,11 219,47 219,82 220,18 220,53 220,88 221,23 221,59 221,94 222,29

330 222,65 223,00 223,35 223,70 224,05 224,41 224,76 225,11 225,46 225,81

340 226,17 226,52 226,87 227,22 227,57 227,92 228,27 228,62 228,97 229,32

350 229,67

Tabla 27 Datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino (PC).

En la siguiente tabla se muestran los datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino, estándar PB con Ro=100 Ω y A=0.0039692, B=-5.8495e-7, C=-4.2325e-12. TC=3.91e-3:

Temp

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 °C

0 100,00 100,40 100,79 101,19 101,59 101,98 102,38 102,78 103,17 103,57

10 103,96 104,36 104,75 105,15 105,55 105,94 106,34 106,73 107,13 107,52

20 107,92 108,31 108,70 109,10 109,49 109,89 110,28 110,67 111,07 111,46

30 111,86 112,25 112,64 113,03 113,43 113,82 114,21 114,61 115,00 115,39

40 115,78 116,18 116,57 116,96 117,35 117,74 118,13 118,53 118,92 119,31

50 119,70 120,09 120,48 120,87 121,26 121,65 122,04 122,43 122,82 123,21

60 123,60 123,99 124,38 124,77 125,16 125,55 125,94 126,33 126,72 127,11

70 127,50 127,89 128,28 128,66 129,05 129,44 129,83 130,22 130,60 130,99

80 131,38 131,77 132,15 132,54 132,93 133,32 133,70 134,09 134,48 134,86

90 135,25 135,64 136,02 136,41 136,79 137,18 137,57 137,95 138,34 138,72

100 139,11 139,49 139,88 140,26 140,65 141,03 141,42 141,80 142,19 142,57

110 142,95 143,34 143,72 144,11 144,49 144,87 145,26 145,64 146,02 146,41

120 146,79 147,17 147,55 147,94 148,32 148,70 149,08 149,47 149,85 150,23

130 150,61 150,99 151,37 151,76 152,14 152,52 152,90 153,28 153,66 154,04

140 154,42 154,80 155,18 155,56 155,94 156,32 156,70 157,08 157,46 157,84

150 158,22 158,60 158,98 159,36 159,74 160,12 160,50 160,87 161,25 161,63

160 162,01 162,39 162,77 163,14 163,52 163,90 164,28 164,65 165,03 165,41

170 165,79 166,16 166,54 166,92 167,29 167,67 168,05 168,42 168,80 169,17

180 169,55 169,93 170,30 170,68 171,05 171,43 171,80 172,18 172,55 172,93

190 173,30 173,68 174,05 174,43 174,80 175,18 175,55 175,92 176,30 176,67

200 177,04 177,42 177,79 178,16 178,54 178,91 179,28 179,66 180,03 180,40

210 180,77 181,15 181,52 181,89 182,26 182,63 183,01 183,38 183,75 184,12

220 184,49 184,86 185,23 185,60 185,98 186,35 186,72 187,09 187,46 187,83

230 188,20 188,57 188,94 189,31 189,68 190,05 190,42 190,78 191,15 191,52

240 191,89 192,26 192,63 193,00 193,37 193,73 194,10 194,47 194,84 195,21

250 195,57 195,94 196,31 196,68 197,04 197,41 197,78 198,14 198,51 198,88

260 199,24 199,61 199,98 200,34 200,71 201,08 201,44 201,81 202,17 202,54

270 202,90 203,27 203,63 204,00 204,36 204,73 205,09 205,46 205,82 206,19

280 206,55 206,92 207,28 207,64 208,01 208,37 208,73 209,10 209,46 209,82

290 210,19 210,55 210,91 211,28 211,64 212,00 212,36 212,73 213,09 213,45

300 213,81 214,17 214,53 214,90 215,26 215,62 215,98 216,34 216,70 217,06

310 217,42 217,78 218,14 218,51 218,87 219,23 219,59 219,95 220,31 220,67

320 221,02 221,38 221,74 222,10 222,46 222,82 223,18 223,54 223,90 224,26

111

330 224,61 224,97 225,33 225,69 226,05 226,40 226,76 227,12 227,48 227,83

340 228,19 228,55 228,90 229,26 229,62 229,98 230,33 230,69 231,04 231,40

350 231,76

Tabla 28 Datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino (PB).

En la siguiente tabla se muestran los datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino, estándar PD (IEC-751) con Ro=100 Ω y A=0.0039083, B=-5.775e-7, C=-4.183e-12. TC=3.85e-3.

Temp

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 °C

0 100,00 100,39 100,78 101,17 101,56 101,95 102,34 102,73 103,12 103,51

10 103,90 104,29 104,68 105,07 105,46 105,85 106,24 106,63 107,02 107,40

20 107,79 108,18 108,57 108,96 109,35 109,73 110,12 110,51 110,90 111,29

30 111,67 112,06 112,45 112,83 113,22 113,61 114,00 114,38 114,77 115,15

40 115,54 115,93 116,31 116,70 117,08 117,47 117,86 118,24 118,63 119,01

50 119,40 119,78 120,17 120,55 120,94 121,32 121,71 122,09 122,47 122,86

60 123,24 123,63 124,01 124,39 124,78 125,16 125,54 125,93 126,31 126,69

70 127,08 127,46 127,84 128,22 128,61 128,99 129,37 129,75 130,13 130,52

80 130,90 131,28 131,66 132,04 132,42 132,80 133,18 133,57 133,95 134,33

90 134,71 135,09 135,47 135,85 136,23 136,61 136,99 137,37 137,75 138,13

100 138,51 138,88 139,26 139,64 140,02 140,40 140,78 141,16 141,54 141,91

110 142,29 142,67 143,05 143,43 143,80 144,18 144,56 144,94 145,31 145,69

120 146,07 146,44 146,82 147,20 147,58 147,95 148,33 148,70 149,08 149,46

130 149,83 150,21 150,58 150,96 151,33 151,71 152,08 152,46 152,83 153,21

140 153,58 153,96 154,33 154,71 155,08 155,46 155,83 156,20 156,58 156,95

150 157,33 157,70 158,07 158,45 158,82 159,19 159,56 159,94 160,31 160,68

160 161,05 161,43 161,80 162,17 162,54 162,91 163,29 163,66 164,03 164,40

170 164,77 165,14 165,51 165,89 166,26 166,63 167,00 167,37 167,74 168,11

180 168,48 168,85 169,22 169,59 169,96 170,33 170,70 171,07 171,43 171,80

190 172,17 172,54 172,91 173,28 173,65 174,02 174,38 174,75 175,12 175,49

200 175,86 176,22 176,59 176,96 177,33 177,69 178,06 178,43 178,79 179,16

210 179,53 179,89 180,26 180,63 180,99 181,36 181,72 182,09 182,46 182,82

220 183,19 183,55 183,92 184,28 184,65 185,01 185,38 185,74 186,11 186,47

230 186,84 187,20 187,56 187,93 188,29 188,66 189,02 189,38 189,75 190,11

240 190,47 190,84 191,20 191,56 191,92 192,29 192,65 193,01 193,37 193,74

250 194,10 194,46 194,82 195,18 195,55 195,91 196,27 196,63 196,99 197,35

260 197,71 198,07 198,43 198,79 199,15 199,51 199,87 200,23 200,59 200,95

270 201,31 201,67 202,03 202,39 202,75 203,11 203,47 203,83 204,19 204,55

280 204,90 205,26 205,62 205,98 206,34 206,70 207,05 207,41 207,77 208,13

290 208,48 208,84 209,20 209,56 209,91 210,27 210,63 210,98 211,34 211,70

300 212,05 212,41 212,76 213,12 213,48 213,83 214,19 214,54 214,90 215,25

310 215,61 215,96 216,32 216,67 217,03 217,38 217,74 218,09 218,44 218,80

320 219,15 219,51 219,86 220,21 220,57 220,92 221,27 221,63 221,98 222,33

330 222,68 223,04 223,39 223,74 224,09 224,45 224,80 225,15 225,50 225,85

340 226,21 226,56 226,91 227,26 227,61 227,96 228,31 228,66 229,02 229,37

350 229,72

Tabla 29 Datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino (PD).

112

En la siguiente tabla se muestran los datos Temperatura vs. Resistencia de una RTD de Platino, estándar PD (IEC-751) con Ro=100 Ω y A=0.0039083, B=-5.775e-7, C=-4.183e-12. TC=3.85e-3. Además se muestran las relaciones entre temperatura y voltaje de salida de la etapa de acondicionamiento (Vout):

Temp Resistencia e'2=1mA*Rt ein = e'2 - (1mA*R4) Io=0,004+(0,016+(40/390))*ein Vout=Io*Rl

°C 0 100 0,1 0 0,004 0,6400

1 100,391 0,1004 0,0004 0,0040 0,6474

2 100,78 0,1008 0,0008 0,0041 0,6548

3 101,172 0,1012 0,0012 0,0041 0,6622

4 101,562 0,1016 0,0016 0,0042 0,6696

5 101,953 0,1020 0,0020 0,0042 0,6770

6 102,343 0,1023 0,0023 0,0043 0,6844

7 102,733 0,1027 0,0027 0,0043 0,6918

8 103,123 0,1031 0,0031 0,0044 0,6992

9 103,513 0,1035 0,0035 0,0044 0,7066

10 103,9 0,1039 0,0039 0,0045 0,7140

11 104,292 0,1043 0,0043 0,0045 0,7214

12 104,682 0,1047 0,0047 0,0046 0,7288

13 105,071 0,1051 0,0051 0,0046 0,7362

14 105,46 0,1055 0,0055 0,0046 0,7436

15 105,85 0,1059 0,0058 0,0047 0,7510

16 106,239 0,1062 0,0062 0,0047 0,7584

17 106,627 0,1066 0,0066 0,0048 0,7657

18 107,016 0,1070 0,0070 0,0048 0,7731

19 107,405 0,1074 0,0074 0,0049 0,7805

20 107,794 0,1078 0,0078 0,0049 0,7879

21 108,182 0,1082 0,0082 0,0050 0,7952

22 108,57 0,1086 0,0086 0,0050 0,8026

23 108,959 0,1090 0,0090 0,0051 0,8100

24 109,347 0,1093 0,0093 0,0051 0,8173

25 109,735 0,1097 0,0097 0,0052 0,8247

26 110,123 0,1101 0,0101 0,0052 0,8320

27 110,51 0,1105 0,0105 0,0052 0,8394

28 110,898 0,1109 0,0109 0,0053 0,8467

29 111,286 0,1113 0,0113 0,0053 0,8541

30 111,673 0,1117 0,0117 0,0054 0,8614

31 112,06 0,1121 0,0121 0,0054 0,8688

32 112,447 0,1124 0,0124 0,0055 0,8761

33 112,835 0,1128 0,0128 0,0055 0,8835

34 113,222 0,1132 0,0132 0,0056 0,8908

35 113,608 0,1136 0,0136 0,0056 0,8981

36 113,995 0,1140 0,0140 0,0057 0,9055

37 114,382 0,1144 0,0144 0,0057 0,9128

38 114,768 0,1148 0,0148 0,0058 0,9202

39 115,155 0,1152 0,0152 0,0058 0,9275

40 115,541 0,1155 0,0155 0,0058 0,9348

41 115,927 0,1159 0,0159 0,0059 0,9421

42 116,313 0,1163 0,0163 0,0059 0,9495

113

43 116,699 0,1167 0,0167 0,0060 0,9568

44 117,085 0,1171 0,0171 0,0060 0,9641

45 117,47 0,1175 0,0175 0,0061 0,9714

46 117,856 0,1179 0,0179 0,0061 0,9787

47 118,241 0,1182 0,0182 0,0062 0,9860

48 118,627 0,1186 0,0186 0,0062 0,9934

49 119,012 0,1190 0,0190 0,0063 1,0007

50 119,397 0,1194 0,0194 0,0063 1,0080

51 119,782 0,1198 0,0198 0,0063 1,0153

52 120,167 0,1202 0,0202 0,0064 1,0226

53 120,552 0,1206 0,0206 0,0064 1,0299

54 120,936 0,1209 0,0209 0,0065 1,0372

55 121,321 0,1213 0,0213 0,0065 1,0445

56 121,705 0,1217 0,0217 0,0066 1,0517

57 122,09 0,1221 0,0221 0,0066 1,0591

58 122,474 0,1225 0,0225 0,0067 1,0663

59 122,858 0,1229 0,0229 0,0067 1,0736

60 123,242 0,1232 0,0232 0,0068 1,0809

61 123,626 0,1236 0,0236 0,0068 1,0882

62 124,01 0,1240 0,0240 0,0068 1,0955

63 124,393 0,1244 0,0244 0,0069 1,1027

64 124,777 0,1248 0,0248 0,0069 1,1100

65 125,16 0,1252 0,0252 0,0070 1,1173

66 125,543 0,1255 0,0255 0,0070 1,1246

67 125,926 0,1259 0,0259 0,0071 1,1318

68 126,309 0,1263 0,0263 0,0071 1,1391

69 126,692 0,1267 0,0267 0,0072 1,1464

70 127,075 0,1271 0,0271 0,0072 1,1536

71 127,458 0,1275 0,0275 0,0073 1,1609

72 127,84 0,1278 0,0278 0,0073 1,1681

73 128,223 0,1282 0,0282 0,0073 1,1754

74 128,605 0,1286 0,0286 0,0074 1,1826

75 128,987 0,1290 0,0290 0,0074 1,1899

76 129,37 0,1294 0,0294 0,0075 1,1972

77 129,752 0,1298 0,0298 0,0075 1,2044

78 130,133 0,1301 0,0301 0,0076 1,2116

79 130,515 0,1305 0,0305 0,0076 1,2189

80 130,897 0,1309 0,0309 0,0077 1,2261

81 131,278 0,1313 0,0313 0,0077 1,2334

82 131,66 0,1317 0,0317 0,0078 1,2406

83 132,041 0,1320 0,0320 0,0078 1,2478

84 132,422 0,1324 0,0324 0,0078 1,2551

85 132,803 0,1328 0,0328 0,0079 1,2623

86 133,184 0,1332 0,0332 0,0079 1,2695

87 133,565 0,1336 0,0336 0,0080 1,2767

88 133,946 0,1339 0,0339 0,0080 1,2840

89 134,326 0,1343 0,0343 0,0081 1,2912

90 134,707 0,1347 0,0347 0,0081 1,2984

91 135,087 0,1351 0,0351 0,0082 1,3056

92 135,468 0,1355 0,0355 0,0082 1,3128

93 135,848 0,1358 0,0358 0,0083 1,3200

94 136,228 0,1362 0,0362 0,0083 1,3273

114

95 136,608 0,1366 0,0366 0,0083 1,3345

96 136,988 0,1370 0,0370 0,0084 1,3417

97 137,367 0,1374 0,0374 0,0084 1,3489

98 137,747 0,1377 0,0377 0,0085 1,3561

99 138,126 0,1381 0,0381 0,0085 1,3633

100 138,506 0,1385 0,0385 0,0086 1,3705

101 138,885 0,1389 0,0389 0,0086 1,3777

102 139,264 0,1393 0,0393 0,0087 1,3848

103 139,643 0,1396 0,0396 0,0087 1,3920

104 140,022 0,1400 0,0400 0,0087 1,3992

105 140,401 0,1404 0,0404 0,0088 1,4064

106 140,779 0,1408 0,0408 0,0088 1,4136

107 141,158 0,1412 0,0412 0,0089 1,4208

108 141,536 0,1415 0,0415 0,0089 1,4279

109 141,914 0,1419 0,0419 0,0090 1,4351

110 142,293 0,1423 0,0423 0,0090 1,4423

111 142,671 0,1427 0,0427 0,0091 1,4495

112 143,049 0,1430 0,0430 0,0091 1,4567

113 143,426 0,1434 0,0434 0,0091 1,4638

114 143,804 0,1438 0,0438 0,0092 1,4710

115 144,182 0,1442 0,0442 0,0092 1,4781

116 144,559 0,1446 0,0446 0,0093 1,4853

117 144,937 0,1449 0,0449 0,0093 1,4925

118 145,314 0,1453 0,0453 0,0094 1,4996

119 145,691 0,1457 0,0457 0,0094 1,5068

120 146,068 0,1461 0,0461 0,0095 1,5139

121 146,445 0,1464 0,0464 0,0095 1,5211

122 146,822 0,1468 0,0468 0,0096 1,5282

123 147,198 0,1472 0,0472 0,0096 1,5354

124 147,575 0,1476 0,0476 0,0096 1,5425

125 147,951 0,1480 0,0480 0,0097 1,5496

126 148,328 0,1483 0,0483 0,0097 1,5568

127 148,704 0,1487 0,0487 0,0098 1,5639

128 149,08 0,1491 0,0491 0,0098 1,5711

129 149,456 0,1495 0,0495 0,0099 1,5782

130 149,832 0,1498 0,0498 0,0099 1,5853

130 150,208 0,1502 0,0502 0,0100 1,5925

132 150,583 0,1506 0,0506 0,0100 1,5996

133 150,959 0,1510 0,0510 0,0100 1,6067

134 151,334 0,1513 0,0513 0,0101 1,6138

135 151,71 0,1517 0,0517 0,0101 1,6210

136 152,085 0,1521 0,0521 0,0102 1,6281

137 152,46 0,1525 0,0525 0,0102 1,6352

138 152,835 0,1528 0,0528 0,0103 1,6423

139 153,21 0,1532 0,0532 0,0103 1,6494

140 153,584 0,1536 0,0536 0,0104 1,6565

141 153,959 0,1540 0,0540 0,0104 1,6636

142 154,333 0,1543 0,0543 0,0104 1,6707

143 154,708 0,1547 0,0547 0,0105 1,6778

144 155,082 0,1551 0,0551 0,0105 1,6849

145 155,456 0,1555 0,0555 0,0106 1,6920

146 155,83 0,1558 0,0558 0,0106 1,6991

115

147 156,204 0,1562 0,0562 0,0107 1,7062

148 156,578 0,1566 0,0566 0,0107 1,7133

149 156,952 0,1570 0,0570 0,0108 1,7204

150 157,325 0,1573 0,0573 0,0108 1,7275

151 157,699 0,1577 0,0577 0,0108 1,7346

152 158,072 0,1581 0,0581 0,0109 1,7416

153 158,445 0,1584 0,0584 0,0109 1,7487

154 158,818 0,1588 0,0588 0,0110 1,7558

155 159,191 0,1592 0,0592 0,0110 1,7629

156 159,564 0,1596 0,0596 0,0111 1,7699

157 159,937 0,1599 0,0599 0,0111 1,7770

158 160,31 0,1603 0,0603 0,0112 1,7841

159 160,682 0,1607 0,0607 0,0112 1,7912

160 161,054 0,1611 0,0611 0,0112 1,7982

161 161,427 0,1614 0,0614 0,0113 1,8053

162 161,799 0,1618 0,0618 0,0113 1,8123

163 162,171 0,1622 0,0622 0,0114 1,8194

164 162,543 0,1625 0,0625 0,0114 1,8265

165 162,915 0,1629 0,0629 0,0115 1,8335

166 163,286 0,1633 0,0633 0,0115 1,8406

167 163,658 0,1637 0,0637 0,0115 1,8476

168 164,03 0,1640 0,0640 0,0116 1,8547

169 164,401 0,1644 0,0644 0,0116 1,8617

170 164,772 0,1648 0,0648 0,0117 1,8687

171 165,143 0,1651 0,0651 0,0117 1,8758

172 165,514 0,1655 0,0655 0,0118 1,8828

173 165,885 0,1659 0,0659 0,0118 1,8899

174 166,256 0,1663 0,0663 0,0119 1,8969

175 166,627 0,1666 0,0666 0,0119 1,9039

176 166,997 0,1670 0,0670 0,0119 1,9110

177 167,368 0,1674 0,0674 0,0120 1,9180

178 167,738 0,1677 0,0677 0,0120 1,9250

179 168,108 0,1681 0,0681 0,0121 1,9320

180 168,478 0,1685 0,0685 0,0121 1,9390

181 168,848 0,1688 0,0688 0,0122 1,9461

182 169,218 0,1692 0,0692 0,0122 1,9531

183 169,588 0,1696 0,0696 0,0123 1,9601

184 169,958 0,1700 0,0700 0,0123 1,9671

185 170,327 0,1703 0,0703 0,0123 1,9741

186 170,697 0,1707 0,0707 0,0124 1,9811

187 171,066 0,1711 0,0711 0,0124 1,9881

188 171,435 0,1714 0,0714 0,0125 1,9951

189 171,804 0,1718 0,0718 0,0125 2,0021

190 172,173 0,1722 0,0722 0,0126 2,0091

191 172,542 0,1725 0,0725 0,0126 2,0161

192 172,911 0,1729 0,0729 0,0126 2,0231

193 173,279 0,1733 0,0733 0,0127 2,0301

194 173,648 0,1736 0,0736 0,0127 2,0371

195 174,016 0,1740 0,0740 0,0128 2,0441

196 174,384 0,1744 0,0744 0,0128 2,0511

197 174,752 0,1748 0,0748 0,0129 2,0581

198 175,12 0,1751 0,0751 0,0129 2,0650

116

199 175,488 0,1755 0,0755 0,0130 2,0720

200 175,856 0,1759 0,0759 0,0130 2,0790

201 176,224 0,1762 0,0762 0,0130 2,0860

202 176,591 0,1766 0,0766 0,0131 2,0930

203 176,959 0,1770 0,0770 0,0131 2,0999

204 177,326 0,1773 0,0773 0,0132 2,1069

205 177,693 0,1777 0,0777 0,0132 2,1139

206 178,06 0,1781 0,0781 0,0133 2,1208

207 178,427 0,1784 0,0784 0,0133 2,1278

208 178,794 0,1788 0,0788 0,0133 2,1347

209 179,161 0,1792 0,0792 0,0134 2,1417

210 179,528 0,1795 0,0795 0,0134 2,1487

211 179,894 0,1799 0,0799 0,0135 2,1556

212 180,26 0,1803 0,0803 0,0135 2,1626

213 180,627 0,1806 0,0806 0,0136 2,1695

214 180,993 0,1810 0,0810 0,0136 2,1765

215 181,359 0,1814 0,0814 0,0136 2,1834

216 181,725 0,1817 0,0817 0,0137 2,1903

217 182,091 0,1821 0,0821 0,0137 2,1973

218 182,456 0,1825 0,0825 0,0138 2,2042

219 182,822 0,1828 0,0828 0,0138 2,2112

220 183,188 0,1832 0,0832 0,0139 2,2181

221 183,553 0,1836 0,0836 0,0139 2,2250

222 183,918 0,1839 0,0839 0,0139 2,2319

223 184,283 0,1843 0,0843 0,0140 2,2389

224 184,648 0,1846 0,0846 0,0140 2,2458

225 185,013 0,1850 0,0850 0,0141 2,2527

226 185,378 0,1854 0,0854 0,0141 2,2596

227 185,743 0,1857 0,0857 0,0142 2,2666

228 186,107 0,1861 0,0861 0,0142 2,2735

229 186,472 0,1865 0,0865 0,0143 2,2804

230 186,836 0,1868 0,0868 0,0143 2,2873

231 187,2 0,1872 0,0872 0,0143 2,2942

232 187,564 0,1876 0,0876 0,0144 2,3011

233 187,928 0,1879 0,0879 0,0144 2,3080

234 188,292 0,1883 0,0883 0,0145 2,3149

235 188,656 0,1887 0,0887 0,0145 2,3218

236 189,019 0,1890 0,0890 0,0146 2,3287

237 189,383 0,1894 0,0894 0,0146 2,3356

238 189,746 0,1897 0,0897 0,0146 2,3425

239 190,11 0,1901 0,0901 0,0147 2,3494

240 190,473 0,1905 0,0905 0,0147 2,3563

241 190,836 0,1908 0,0908 0,0148 2,3632

242 191,199 0,1912 0,0912 0,0148 2,3701

243 191,562 0,1916 0,0916 0,0149 2,3770

244 191,924 0,1919 0,0919 0,0149 2,3838

245 192,287 0,1923 0,0923 0,0149 2,3907

246 192,649 0,1926 0,0926 0,0150 2,3976

247 193,012 0,1930 0,0930 0,0150 2,4045

248 193,374 0,1934 0,0934 0,0151 2,4113

249 193,736 0,1937 0,0937 0,0151 2,4182

250 194,098 0,1941 0,0941 0,0152 2,4251

117

251 194,46 0,1945 0,0945 0,0152 2,4319

252 194,822 0,1948 0,0948 0,0152 2,4388

253 195,184 0,1952 0,0952 0,0153 2,4457

254 195,545 0,1955 0,0955 0,0153 2,4525

255 195,907 0,1959 0,0959 0,0154 2,4594

256 196,268 0,1963 0,0963 0,0154 2,4662

257 196,629 0,1966 0,0966 0,0155 2,4731

258 196,99 0,1970 0,0970 0,0155 2,4799

259 197,351 0,1974 0,0974 0,0155 2,4868

260 197,712 0,1977 0,0977 0,0156 2,4936

261 198,073 0,1981 0,0981 0,0156 2,5005

262 198,433 0,1984 0,0984 0,0157 2,5073

263 198,794 0,1988 0,0988 0,0157 2,5141

264 199,154 0,1992 0,0992 0,0158 2,5210

265 199,515 0,1995 0,0995 0,0158 2,5278

266 199,875 0,1999 0,0999 0,0158 2,5347

267 200,235 0,2002 0,1002 0,0159 2,5415

268 200,595 0,2006 0,1006 0,0159 2,5483

269 200,954 0,2010 0,1010 0,0160 2,5551

270 201,314 0,2013 0,1013 0,0160 2,5620

271 201,674 0,2017 0,1017 0,0161 2,5688

272 202,033 0,2020 0,1020 0,0161 2,5756

273 202,393 0,2024 0,1024 0,0161 2,5824

274 202,752 0,2028 0,1028 0,0162 2,5892

275 203,111 0,2031 0,1031 0,0162 2,5960

276 203,47 0,2035 0,1035 0,0163 2,6029

277 203,829 0,2038 0,1038 0,0163 2,6097

278 204,188 0,2042 0,1042 0,0164 2,6165

279 204,546 0,2045 0,1045 0,0164 2,6233

280 204,905 0,2049 0,1049 0,0164 2,6301

281 205,263 0,2053 0,1053 0,0165 2,6369

282 205,622 0,2056 0,1056 0,0165 2,6437

283 205,98 0,2060 0,1060 0,0166 2,6505

284 206,338 0,2063 0,1063 0,0166 2,6573

285 206,696 0,2067 0,1067 0,0167 2,6641

286 207,054 0,2071 0,1071 0,0167 2,6708

287 207,411 0,2074 0,1074 0,0167 2,6776

288 207,769 0,2078 0,1078 0,0168 2,6844

289 208,127 0,2081 0,1081 0,0168 2,6912

290 208,484 0,2085 0,1085 0,0169 2,6980

291 208,841 0,2088 0,1088 0,0169 2,7047

292 209,198 0,2092 0,1092 0,0169 2,7115

293 209,555 0,2096 0,1096 0,0170 2,7183

294 209,912 0,2099 0,1099 0,0170 2,7251

295 210,269 0,2103 0,1103 0,0171 2,7318

296 210,626 0,2106 0,1106 0,0171 2,7386

297 210,982 0,2110 0,1110 0,0172 2,7454

298 211,339 0,2113 0,1113 0,0172 2,7521

299 211,695 0,2117 0,1117 0,0172 2,7589

300 212,052 0,2121 0,1121 0,0173 2,7657

301 212,408 0,2124 0,1124 0,0173 2,7724

302 212,764 0,2128 0,1128 0,0174 2,7792

118

303 213,12 0,2131 0,1131 0,0174 2,7859

304 213,475 0,2135 0,1135 0,0175 2,7926

305 213,831 0,2138 0,1138 0,0175 2,7994

306 214,187 0,2142 0,1142 0,0175 2,8062

307 214,542 0,2145 0,1145 0,0176 2,8129

308 214,897 0,2149 0,1149 0,0176 2,8196

309 215,252 0,2153 0,1153 0,0177 2,8264

310 215,608 0,2156 0,1156 0,0177 2,8331

311 215,963 0,2160 0,1160 0,0177 2,8398

312 216,317 0,2163 0,1163 0,0178 2,8466

313 216,672 0,2167 0,1167 0,0178 2,8533

314 217,027 0,2170 0,1170 0,0179 2,8600

315 217,381 0,2174 0,1174 0,0179 2,8667

316 217,736 0,2177 0,1177 0,0180 2,8735

317 218,09 0,2181 0,1181 0,0180 2,8802

318 218,444 0,2184 0,1184 0,0180 2,8869

319 218,798 0,2188 0,1188 0,0181 2,8936

320 219,152 0,2192 0,1192 0,0181 2,9003

321 219,506 0,2195 0,1195 0,0182 2,9071

322 219,86 0,2199 0,1199 0,0182 2,9138

323 220,213 0,2202 0,1202 0,0183 2,9205

324 220,567 0,2206 0,1206 0,0183 2,9272

325 220,92 0,2209 0,1209 0,0183 2,9339

326 221,273 0,2213 0,1213 0,0184 2,9406

327 221,626 0,2216 0,1216 0,0184 2,9473

328 221,979 0,2220 0,1220 0,0185 2,9540

329 222,332 0,2223 0,1223 0,0185 2,9607

330 222,685 0,2227 0,1227 0,0185 2,9674

331 223,038 0,2230 0,1230 0,0186 2,9741

332 223,39 0,2234 0,1234 0,0186 2,9807

333 223,743 0,2237 0,1237 0,0187 2,9874

334 224,095 0,2241 0,1241 0,0187 2,9941

335 224,447 0,2244 0,1244 0,0188 3,0008

336 224,799 0,2248 0,1248 0,0188 3,0075

337 225,151 0,2252 0,1252 0,0188 3,0141

338 225,503 0,2255 0,1255 0,0189 3,0208

339 225,855 0,2259 0,1259 0,0189 3,0275

340 226,206 0,2262 0,1262 0,0190 3,0342

341 226,558 0,2266 0,1266 0,0190 3,0408

342 226,909 0,2269 0,1269 0,0190 3,0475

343 227,261 0,2273 0,1273 0,0191 3,0542

344 227,612 0,2276 0,1276 0,0191 3,0608

345 227,963 0,2280 0,1280 0,0192 3,0675

346 228,314 0,2283 0,1283 0,0192 3,0741

347 228,664 0,2287 0,1287 0,0193 3,0808

348 229,015 0,2290 0,1290 0,0193 3,0874

349 229,366 0,2294 0,1294 0,0193 3,0941

350 229,716 0,2297 0,1297 0,0194 3,1007

Tabla 30 Relación Voltaje de salida del XTR101 vs. Temperatura a partir de la relación Resistencia vs. Temperatura del estándar PD (IEC-751) con TC=3.85e-3.

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