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Instructivo de laboratorio de SENSORES Y ACTUADORES 103-259

Prctica # 2 EL POTENCIMETRO Introduccin. Podemos definir al Potencimetro como una resistencia regulable en un circuito elctrico, los cuales son encontrados en la mayora de los sistemas donde se requiere variar algn parmetro de operacin, o sensar un desplazamiento. Potencimetro monovuelta.- Potencimetro donde la rotacin mecnica que provoca el desplazamiento del cursor en la totalidad del elemento resistivo es inferior o igual a 360. Objetivo. En esta prctica el estudiante conocer los principios bsicos del potencimetro, sus principales tipos, caractersticas y aplicaciones. Adems deber describir el comportamiento de un potencimetro y la relacin entre su desplazamiento angular y el voltaje de salida. Marco terico. Un potencimetro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento. Este desplazamiento se convierte en una diferencia de potencial. El potencimetro rotacional o giratorio esta formado por una pista o canal circular con devanado de alambre o por una capa de plstico conductor; sobre la pista rota un contacto deslizante giratorio. Si tenemos un voltaje de entrada constante entre las terminales 1 y 3, el voltaje de salida Vo entre las terminales 2 y 3 es una fraccin del voltaje de entrada. Esta fraccin depende de la relacin de resistencia R23 comparada con la resistencia total o R13 .

Figura 2.1.- Principales tipos de potencimetros.Cuerpo Acadmico de Mecatrnica

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Si la resistencia de la pista por unidad de longitud es constante, entonces la salida es proporcional al ngulo a lo largo del cual gira el deslizador. En este caso un desplazamiento angular se puede convertir en una diferencia de potencial.VO R23 = VS R13

Ecuacin 2.1. Podemos suponer que la resistencia cambia uniformemente a lo largo del desplazamiento, dicha suposicin ser tomada para encontrar una constante en el potencimetro, sin embargo esta suposicin es falsa pues la linealidad del potencimetro est acotada. Figura 2.2.- Conectores de un Potencimetro.

Si definimos un potencimetro como 2 resistencias variables ( R12 y R23 ) las cuales obedecen la siguiente ecuacin: R12 + R23 = Rt , donde Rt es la resistencia total del potencimetro, tendramos un diagrama como el de la figura siguiente.

Figura 2.3.- Diagrama de conexin del potencimetro. En un circuito en serie, la corriente que viaja en todo el circuito permanece constante y se puede determinar por la ley de Ohm.

I=

Vf Rt

Ecuacin 2.2.Cuerpo Acadmico de Mecatrnica

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Donde V f es el voltaje suministrado por la fuente y Rt es la resistencia total del circuito. El voltaje medido entre las terminales 2 y 3 del Potencimetro se puede calcular mediante la siguiente ecuacin: V23 = I R23 Ecuacin 2.3. Sustituyendo la ecuacin 2.2 en la 2.3 se obtiene la siguiente ecuacin:

V V23 = ( f ) R23 RtEcuacin 2.4. Ya que R23 es variable y suponiendo que este vara linealmente respecto al desplazamiento angular del cursor podemos decir que la resistencia entre las terminales 2 y 3 en funcin del ngulo desplazado sera: R t Ecuacin 2.5.R23 ( ) =

Donde es el ngulo desplazado, es el desplazamiento angular mximo del potencimetro, y Rt es la resistencia total del mismo. Podemos llamar constante angular del potencimetro a la razn de la Rt en el para un determinado potencimetro.

Rt

=K

Ecuacin 2.6. Entonces la diferencia de voltaje entre las terminales 2 y 3 puede ser calculada por la siguiente ecuacin:

V23 =

Vf

Ecuacin 2.7. La diferencia entre el comportamiento esperado y el obtenido se denomina conformidad.

Cuerpo Acadmico de Mecatrnica

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Los modelos disponibles comercialmente incluyen aquellos que admitan un movimiento circular de una o mas vueltas en el caso de los helicoidales y en varios de estos modelos la salida en funcin del desplazamiento tiene un comportamiento no lineal. Incluso puede ser una funcin senoidal del ngulo de giro del cursor. Listado de Material. 1 potencimetro de 10 K ohms. Fuente de voltaje indicada. Transportador de 360o de uso comn.

Desarrollo: 1. Medir la resistencia total real del potencimetro, la cual puede ser medida conectando un hmetro entre las terminales de los extremos, o puede ser leda en la serigrafa del potencimetro. 2. Montar el potencimetro en la base de madera y a travs del transportador para poder medir su desplazamiento angular. 3. Medir el voltaje real que suministrara la fuente de voltaje. 4. Calibrar el multmetro virtual del NI ELVIS, para lo cual haremos lo siguiente; a. Desconectar cualquier cosa que este sobre el protoboard del NI ELVIS. b. Unir con un cable los puertos Voltage HI y Voltage LOW del DMM ubicados en la parte inferior izquierda del protoboard del NI ELVIS. c. Encender el NI ELVIS e inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS. d. Seleccionar el modulo de Digital Multimeter. e. Presionar el botn de NULL. f. Retirar el cableado de los puertos Voltage HI y Voltage LOW. g. Apagar el NI ELVIS. 5. Conectar el potencimetro como la siguiente figura.


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Figura 2.4- Ejemplo de la prctica. 6. Una vez conectado correctamente, encender el NI ELVIS. 7. Inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS y seleccionar el modulo de DMM. 8. Girar el potencimetro hasta que la perilla apunte a los 0 grados. 9. Girar la perilla del potencimetro y tomar mediciones de su desplazamiento angular y el voltaje de salida medidos. Se recomienda utilizar la fuente de 5v del NI ELVIS y medir los datos cada 10 de desplazamiento angular. 10. Hacer una grafica del desplazamiento angular contra el voltaje medido en la salida.


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Grfica 2.1. Ejemplo de la grfica de la prctica. 2.1.EJERCICIO OPCIONAL. POTENCIOMETRO Y LABVIEW LABVIEW. Introduccin. Es posible obtener datos por medio de una tarjeta conectada a una PC, para as fcilmente realizar clculos con ellos. Si se utiliza un potencimetro y una tarjeta de adquisicin de ro datos idnea, es posible construir un programa en la PC que muestre un clculo de la posicin angular del potencimetro. Objetivo. Que el estudiante se familiarice con el software de los laboratorios y que sepa como manipular los datos que pueda adquirir, adems de utilizar el software LabVIEW. r Hacer un programa en LabVIEW que nos permita asociar el voltaje medido, con el medido desplazamiento angular del potencimetro. Marco terico. LabVIEW es una herramienta grfica de prueba, control y diseo mediante la , programacin. El lenguaje utilizado se llama lenguaje G. Este programa fue creado por National Instruments en 1976 Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual 1976. Instrument), lo que da una idea de uno de sus principales usos: el control de instrumentos.


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Utilizaremos el ELVIS como una DAQ para conectar los valores del voltaje medidos en el potencimetro y una computadora, para luego poder programar con LabVIEW y utilizar esos datos de entrada.

Figura 2.5.- Principales controles utilizados. Descripcin de la figura 2.5. 1. Sirve para especificar el dispositivo donde se encuentra la DAQ, en este caso es el NI ELVIS, el cual es llamado Dev1 por el software. 2. Condicin de espera, dentro de un ciclo WHILE sirve para que este ciclo se repita dentro de un valor de milisegundos, debe ser especificado por una constante (ver 6). 3. Botn de paro, ubicado en el panel frontal. Sirve para darle una entrada booleana al comando STOP del ciclo WHILE. 4. Cierra el Sub-VI DMM. 5. Configuracin del Sub-VI DMM, aqu se selecciona el tipo de medicin (ver 11). 6. Inicializador del Sub-VI DMM. 7. Devuelve la lectura digital medida del Sub-VI DMM, como un arreglo, se le debe especificar la funcin que debe realizar (ver 11). 8. Despliega en forma numrica el voltaje medido. 9. Medidor visual de entrada variable, la aguja indicadora muestra el valor (int) de entrada, en el panel frontal podemos configurar este medidor a los rangos necesarios dando doble click sobre los lmites. 10. Indica el valor de un ndice especfico de un arreglo.Cuerpo Acadmico de Mecatrnica

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11. Tipo de medicin del Sub-VI DMM. 12. Comparador MAYOR QUE, compara dos valores y si el primero es mayor que el segundo, el comparador entrega una salida verdadera, la cual puede activar un LED virtual. 13. Constante del sistema, esta sirve para dar un nmero especfico de referencia, puede ser usado en la funcin WAIT. 14. Operador booleano, muestra un LED en el panel frontal del VI, el LED enciende si el valor del voltaje es mayor a 0 15. Ciclo WHILE, esta funcin repite el sub diagrama que se encuentra en su interior hasta que la condicin de paro es cumplida, el cual puede ser un valor booleano, controlado por un botn (ver 12.) en el panel frontal del instrumento virtual (VI) o creado por un error en el sistema. La terminal i determina el nmero de veces que se ha repetido el ciclo. Modelo matemtico de un potencimetro. La parte elctrica del potencimetro esta dada por la ecuacin V = i RT i = V / RT parte mecnica se da por: despejando, la

Ri = / nDonde: es el ngulo que gira la perilla del potencimetro n es igual al nmero de vueltas Si se combinan las partes mecnicas y elctricas se obtiene lo siguiente: V =iR

Vi = V / RT V RT n Sustituyendo por una constante k: Vi ( ) =

k = V / nRT Vi ( ) = k Listado de Material. Conocimientos bsicos del software LabVIEW. Potencimetro. ELVIS. Software LabVIEW.


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Desarrollo: En esta prctica se colocara el potencimetro de la misma manera que lo hicimos en la prctica #2, pero ahora en lugar de medir el voltaje regulado con un vlmetro, se har mediante una tarjeta DAQ. La tarjeta DAQ de esta practica ser el NI ELVIS y este se conecta a la PC, para luego poder manipular esa informacin con el software LabVIEW y obtener un programa como el de a continuacin.

Figura 2.6.- Diagrama del funcionamiento de la prctica. 1. Colocar el potencimetro de tal manera que los conectores estn del lado izquierdo, cerca de la fuente de voltaje del NI ELVIS. 2. Abrir el documento Prac2.VI. 3. Sin prender el NI ELVIS, conectar el cable rojo inferior a la salida de voltaje de 5 Volts, el cable negro inferior a la conexin de tierra (Gnd). 4. El voltaje de salida del potencimetro ser medido por medio del DMM (Multmetro Digital) del NI ELVIS. (mas informacin en prctica #1, pg.15 y 17).

Figura 2.7- Ejemplo de la prctica.


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5. Acomodar los iconos del archivo de forma que se puedan realizar fcilmente las conexiones mostradas en la fig. 2.8, se debe tener en cuenta que hay que aadir ciertos valores constantes a funciones como WAIT, comparador MAYOR QUE y voltaje variable 6. Realizar conexiones virtuales Como podemos ver en la Fig. 2.8 tenemos 3diferentes estados en la programacin. El primer paso es para inicializar los instrumentos que utilizaremos. Este paso esta agrupado a la izquierda del ciclo WHILE. En el segundo paso se encuentra el propio ciclo WHILE, dentro del cual se realiza una rutina de medicin del voltaje en el potencimetro hasta que oprimamos el botn de paro u ocurra un error en el VI, se recomienda ponerle un valor de 500 ms de espera a la funcin WAIT. Por ultimo en el tercer paso, despus del ciclo WHILE, se encuentran los procesos para cerrar los instrumentos utilizados.

7. Dentro del ciclo WHILE, el sub programa DMM READ mide el voltaje registrado en la salida del potencimetro, luego este valor entra un nodo de frmula, el cual a travs de la formula mostrada en el marco terico calcula el desplazamiento angular terico en el potencimetro. Este valor es enviado al indicador angular, luego este mismo valor es comparado dentro de un sub ciclo, donde si este valor es mayor a un valor crtico el LED deber encender. El ciclo WHILE termina cuando el botn de paro es oprimido.

Figura 2.8.- Diagrama de programacin. 8. Determinar por medio de constantes (int) el tiempo de espera dentro del ciclo, la formula utilizada en el nodo de formula (dar doble click sobre el icono del sub programa) y el valor crtico donde el LED deber encender.


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9. Disear el panel frontal de manera que podamos ver la posicin angular terica, el voltaje crtico en el cual debe prender el LED, y el botn de paro (stop).

Figura 2.9.- Ejemplo de panel frontal y los diferentes tipos de medidores. 10. Considerar el rango de giro del potencimetro, el rango efectivo donde su comportamiento es lineal, el voltaje real de la fuente y el voltaje mximo permitido por la DAQ. 11. Comparar los datos obtenidos en esta prctica con los que obtuvieron en la prctica #2, y anotar si el programa medido funcion con exactitud. 12. Suponiendo que el potencimetro fuera una llave de paso para el llenado de un tanque de agua. Disear un programa en LabVIEW que muestre el tanque y el nivel de agua que tendra despus de determinado tiempo si se llenara con la llave de paso en esa posicin, y que contenga 3 LEDs que indiquen el nivel del agua; bajo, medio, alto. Se recomienda investigar el funcionamiento de los tanques (Controls>>Numeric) y de la funcin In Range and Coerce (Functions>>Comparision). 13. Guardar los archivos creados y sub instrumentos utilizados en una sola carpeta con el nombre de [MATRICULA_APELLIDO_#PRACTICA].


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