1

INSTRUMENTACIÓN y MEDICIONES Proyecto Final

ALBERTO CANTILLO ALARCON Cód. 72243477

JOSE ARTURO DAZA B.

Cód. 79498929

JOSE ANGEL MONTAÑEZ ROJAS Cód. 74321176

PRESENTADO A:

DIANA GISELA VICTORIA INSTRUMENTACION Y MEDICIONES

Curso: 201455_7

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA. ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA.

INGENIERÍA ELECTRONICA JUNIO DE 2013

2

INTRODUCCION

La medición de capacitancia se puede realizar por diferentes formas a través de los

diferentes capacímetros que se encuentran en el mercado. Se puede realizar con

instrumentos a base de puentes de medición (Schering y/o Wien), o por

microprocesadores, o por circuitos integrados o por detector sincrónico. De

cualquier modo se busca que la medición arroje resultados confiables basados en

criterios estandarizados y ampliamente entendidos por quienes realizan la medición.

Este proyecto se encara desde un marco teórico levemente más general que el

correspondiente al medidor de capacidad a construir de modo que estén sentadas

las bases para la construcción de dispositivos similares como detectores y sensores

inteligentes y se den los criterios correspondientes para diseñar una adquisición

remota de las medidas y los datos que ellos producen sin incurrir en errores.

El estado de la tecnología electrónica actual provee a los diseñadores una gran

diversidad de elementos que posibilitan la implementación de instrumentación

electrónica que logra alta exactitud. Los microcontroladores fácilmente

programables, sumados a los amplificadores operacionales y las temporizaciones

exactas dadas por los cristales de cuarzo permiten la implementación de

instrumentos de mano de bajo consumo y también dan origen a los llamados

sensores inteligentes; en los cuales se necesita “hardware” mínimo por cuestiones

de tamaño, consumo y costos.

Con estas herramientas se plantea el diseño y la puesta en marcha de un medidor

de capacitancia digital, el cual es un instrumento de mano basado mayormente en

un microcontrolador y unos pocos componentes accesorios que, gracias a la lógica

de control y (considérese una llave selectora) como de una intervención del usuario

al sistema (debe ser el operador quien debiera seleccionar la escala adecuada de

medida).

Los instrumentos eléctricos de medición tienen una gran importancia, durante

mucho tiempo se ha buscado la medida de precisión ya que a través de ellos

podemos tener o conseguir la medida de las corrientes eléctricas, cargas, energía

y potencial, además de la resistencia, la capacidad, la capacitancia y la inductancia.

3

OBJETIVOS

Diseñar e implementar un sistema de instrumentación para medir la variable

capacitancia, utilizando el puente de Wien o Schering.

Creemos que más allá de que el proyecto funcione correctamente o no lo más

importante es la interacción tanto en el campus virtual como en los laboratorios con

los tutores en búsqueda de solución a las inquietudes y posibles fallas que presente

el circuito y diseño.

Tener un pleno conocimiento no solo del uso de los instrumentos de medición del

laboratorio y de nuestra profesión. Si no también poder ahondar en lo interno de su

funcionamiento y diseño. Saber cómo funcionan las cosas algo que de por si debe

ser nuestro objetivo general como futuros ingenieros.

Sustentar el sistema de instrumentación para medir la variable de capacitancia de

acuerdo con las condiciones establecida para el proyecto. Para medir la variable

capacitancia de acuerdo con las condiciones establecidas para el proyecto.

4

JUSTIFICACIÓN

La asignatura de Instrumentación y medición de la Universidad Nacional Abierta y

a Distancia busca dotar a los estudiantes de carreras técnicas y afines con el campo

de la medición, de competencias y habilidades que le permitan un desenvolvimiento

exitoso en ese campo del saber.

Por ende, este proyecto final busca que el estudiante aplique de manera práctica

los conocimientos adquiridos durante el semestre de esta asignatura y dé cuenta de

su capacidad de análisis, basado en su fundamentación teórica y las experiencias

compartidas por sus compañeros de grupo colaborativo.

En las medidas electrónicas nos encontramos con que hay varias formas de

determinar la capacidad de un elemento. Algunos métodos se basan en un puente

de impedancias los llamados puente de “Wien” y de “Schering”, los cuales son

utilizados preferentemente para determinar el factor de pérdidas en capacitores. Su

implementación y puesta a punto es algo complicada y el acercamiento a la medida

debe realizarse en forma manual por el operador el proceso se asemeja a una

sintonización, lo que lo hace un método poco práctico para adquirir una medida en

forma automática.

He aquí que el diseño e implementación de un capacímetro es la oportunidad para

aprender a fondo de la instrumentación y mediciones enfocada a nuestra profesión.

5

DESCRIPCIÓN Marco Teorico.

Mientras que los puentes de Maxwell-Wien, Owen y Hay se emplean para medir inductores, los puentes de Wien y Schering se emplean para medir condensadores. El puente de Schering se emplea sobre todo para medir la fuga en condensadores de alta Tensión.

Para medir capacitores en circuitos donde el ángulo de fase es casi de 90º, el puente de Schering da las lecturas más exactas. En el Diagrama de la figura1. Zx es un condensador en serie con una resistencia (objeto de la medida); Z1 está formada por un condensador variable en paralelo con una resistencia variable, que tienen por fin ajustar el puente (hacer que la tensión del puente sea nula) Z2 es una resistencia, Z3 es un condensador. Donde se especifica Vs podría estar colocado un galvanómetro o sensor. La idea consiste en variar los componentes de la impedancia Z2 hasta obtener la condición de equilibrio de este puente (Vs=0 o usando un galvanómetro I=0). No es muy diferente a otros puentes como el de Weatstone por lo que la ecuación para la condición de equilibrio y obtención de la capacitancia desconocida resulta ser fácil de deducir, solo que en este caso se trabaja con impedancias (Medida en ohmios, se refiere a la combinación entre la resistencia y la reactancia en un circuito eléctrico). El equilibrio ocurre cuando el Voltaje entre los puntos A y B (VAB) es igual al voltaje entre los puntos A y C (VAC) siendo los voltajes VDB y VDC también iguales. Entonces:

............. (1). Para que la Tensión Vs=0.

6

.........(2)

.........................(3)

.........................(4)

Ecuaciones 3 y 4 en................... (5) Sustituyendo las últimas 4 ecuaciones en 5. Igualando parte real con parte imaginaria se obtiene:

De la figura 2 se deduce que: ...............................(6)

7

ANÁLISIS TEÓRICO Para un puente de Schering con una entrada AC de 10KHz, R1=1050, C1=200pF,

C3=10pF, R2=20, hallar la capacitancia de Cx, la resistencia Rx y el factor de

disipación “D” entre la maya C1y R1, con lo cual se tiene:

𝐶𝑥 =𝐶3𝑅1𝑅2

𝐶𝑥 =(10𝑋10−12) ∗ (1050)

20

𝑪𝒙 = 𝟓𝟐𝟓𝒑𝑭

8

𝑅𝑥 =𝑅2𝐶1𝐶3

𝑅𝑥 =20 ∗ 205𝑋10−12

10𝑋10−12

𝑹𝒙 = 𝟒𝟏𝟎𝛀

𝐷 = ωC1R1

𝐷 = 10𝑋103 ∗ 200𝑋10−12 ∗ 1050

𝑫 = 𝟐. 𝟏𝑿𝟏𝟎−𝟑

SIMULACION EN PROTEUS

Algunos Métodos De Medición Convencionales

En las medidas electrónicas nos encontramos con que hay varias formas de

determinar la capacidad de un elemento. Algunos métodos se basan en un puente

de impedancias (los llamados puente de “Wien” y de “Schering), los cuales son

utilizados preferentemente para determinar el factor de pérdidas en capacitores (D).

El acercamiento a la medida debe realizarse en forma manual por el operador (el

proceso se asemeja a una sintonización).

9

Otra técnica es la del detector sincrónico, el cual utiliza un oscilador de una frecuencia sinodal conocida y muy exacta que se aplica a una resistencia Rs que está en serie con el capacitor a medir Cx. La tensión sobre Rs estará en fase con la corriente que pasa por el capacitor, un detector sincrónico elimina la parte real de la tensión sobre Rs, lo que permite obtener una tensión de salida que, salvo por un factor, es proporcional a la capacidad.

Los multímetros digitales convencionales miden la capacitancia administrando corriente constante al capacitor durante un intervalo fijo de tiempo, midiendo el voltaje resultante y luego calculando la capacitancia. La lectura es lenta, demorando alrededor de un segundo. Como la carga se hace usando la tensión interna, la tensión del capacitor puede ser de solamente alrededor de algunos voltios. Método De Medición Por Respuesta Transitoria

Este método se denomina también de integración, ya que el modelo matemático de un capacitor nos dice que la tensión en sus bornes V

C es función de la integral de la

corriente de carga:

VC(t) = 1/C ∫ i

C(t) dt

El transitorio ocurre cuando en un circuito R-C serie el capacitor se carga a una tensión constante E. Cuando la llave de la figura se abre, el capacitor C comenzará a cargarse a través de la resistencia R y el voltaje V

C se incrementará en función del

tiempo transcurrido desde la conmutación de la llave. Este proceso se denomina transitorio de carga.

Manteniendo a E y R constantes, la tensión V

C será función del tiempo en el cual

el capacitor se mantuvo en carga, lo cual se expresa en la siguiente fórmula:

VC

= E [1 – e – t / ( R C )

]

10

En donde las unidades corresponden a t [Segundo], R[Ohm], C[Faradio] y “e” se denomina número de neper (2,72 aproximadamente), el cual es adimensional. Manteniendo las condiciones anteriores, si nos interesa el valor del tiempo transcurrido para que el capacitor alcance una tensión V

C1:

t1

= - RC ln [1 – VC1

/ E ]

Esto significa que t

1 es proporcional a C. Por lo tanto t

1, si bien está afectado por un

factor constante, nos indica el valor de la capacitancia. En el caso de tener un capacitor previamente cargado en una red R-C serie, podemos producir un transitorio de descarga, el cual tiene un circuito y una ecuación que le corresponde:

Por lo anteriormente expuesto, podríamos en principio obtener el valor de la capacitancia en base a la medición del tiempo de carga o de descarga de un capacitor en una red R-C serie, para lo cual necesi-tamos un voltaje de referencia dado por un comparador de voltaje que nos indique cuando V

C alcanza la tensión

de carga VC1

o se descarga hasta una VC2

. Si bien de acuerdo a los fundamentos

dados, la medición del tiempo de carga se podría realizar con un solo voltaje de referencia. Esto se dificulta en la práctica por las siguientes razones: En realidad el voltaje no cae a 0 voltios en la descarga ni alcanza la tensión máxima E en la car-ga: Tenemos que matemáticamente la curvas de tensión de V

C son asíntotas que no adquieren los va-lores extremos, si bien se llega a valores

tan cercanos que pueden ser considerados como tales, esto aumenta el intervalo de medición. Fenómenos como el de absorción dieléctrica (reaparición de tensión en terminales de un capacitor luego de haberse descargado) y la caída de tensión en la llave de descarga acentúan este efecto. Habrá un tiempo transcurrido entre el comienzo de la carga y el cronometraje: Esto causa un pequeño error de medición que generalmente puede ser ignorado. Corrientes de fuga en las entradas analógicas: Causan errores de medida en valores cercanos a cero voltios.

11

SOLUCIONES CON TEMPORIZADOR 555 En vista de la necesidad de evitar los valores extremos, debemos tener dos comparadores de tensión que indicarán si se produjo la carga o la descarga. El valor que indica la carga debe ser menor a E (ten-sión de alimentación de la red R-C) y el valor que indica la descarga debe ser mayor a cero Voltios. Estos requisitos fueron tomados en el diseño del temporizador 555, el cual tiene un comparador de ventana que acepta como valor mínimo V

C=1/3E para interpretar que se produjo la

descarga y como valor máximo VC=2/3E para asumir que se produjo la carga.

Tomado de http://frvm.utn.edu.ar/carrera/grado/electronica/tecnologia/documentos/Capacimetro.pdf

Frecuencia de oscilación de esta configuración: F = 1,44 / [ (RA

+ 2RB) C

X ]

Además necesitamos que la carga y descarga no sea un acontecimiento único, sino que se repita periódicamente. El temporizador 555 permite esta posibilidad, llamándose esta configuración modo astable. En este modo se actúa sobre la red R-C, produciendo un transitorio de carga cuando V

C< 2/3E para luego cambiar el circuito (cuando V

C = 2/3E) mediante la acción de

un transistor que produce un transitorio de descarga hasta que VC

= 1/3E, punto en

el cual comienza el transitorio de carga nuevamente.

12

Se debe tener una memoria que permita mantener la topología de la red (O sea que mantenga la configuración de las conexiones eléctricas que llevan a cabo el transitorio de carga o descarga según corresponda) hasta que se logre efectivamente la carga o descarga. Para este motivo el 555 incorpora una memoria de 1bit o biestable, el cual memoriza el nivel alto de tensión que se produce en el comparador conectado a “Set” cuando V

C = 2/3E (Comienza transitorio de

descarga). Esta memorización se mantiene hasta que VC

= 1/3E, tensión en la cual

se genera un nivel alto a la salida del comparador conectado a “Reset”, que hace memorizar un nivel bajo al biestable (Se produce nuevamente el transitorio de carga). Una entrada adicional de “Reset” permite poner a nivel bajo el biestable con una señal externa, lo cual nos permite inhabilitar el temporizador 555 para que no oscile, lo cual es útil si trabajamos con más de un circuito temporizador, ya que nos permite habilitar solamente el que realice mejor la medición.

EL PUENTE DE “WIEN”

El puente de “Wien” se destina en principio a la medición de la capacidad de capacitores

cuyas pérdidas son apreciables y pueden considerarse como resistencia paralelo; por

ejemplo el ensayo y medición de cables de dos conductores (envainados para energía

eléctrica o coaxiles para RF), y capacitores electrolíticos de gran capacidad.

En la figura siguiente se muestra el esquema de un puente de “Wien” típico, los resistores R1, R2 y R3 son de precisión y no inductivos, el resistor Rx representa

13

la pérdidas del capacitor bajo ensayo.

Tomado de http://frvm.utn.edu.ar/carrera/grado/electronica/tecnologia/documentos/Capacimetro.pdf

Conseguir la condición de equilibrio del puente y obtener los valores de Cx y Rx es bastante

engorroso, como puede verse en las ecuaciones anteriores, y puede lograrse variando R3,

R1 y además la frecuencia del generador utilizado para exitarlo. Claro que si lo que se

desea medir es el factor de pérdidas (D), la operación se simplifica, ya que el valor de D es:

14

D = w R3 C3

EL PUENTE DE “SCHERING”

Cuando se desea medir capacidad y factor de pérdidas de capacitores y otros elementos

que tienen capacidad asociada, tales como cables armados para alta tensión, aisladores,

transformadores de potencia para uso industrial (Que utilizan aceite como refrigerante, y en

los cuales se desea determinar las características del mismo como dieléctrico); todos los

elementos que puedan considerarse como capacitores en serie con una resistencia de bajo

valor; se prefiere utilizar el puente de “Schering”, que en estas circunstancias y a diferencia

del anterior, es un poco más fácil de equilibrar.

La figura siguiente muestra el esquema básico de un puente de “Schering”. Los capacitores C4 y C3 son patrones regulables en décadas, entanto que R3 y R2 son los elementos de ajuste que permiten equilibrar el puente.

Tomado de http://frvm.utn.edu.ar/carrera/grado/electronica/tecnologia/documentos/Capacimetro.pdf

Sin embargo, como el puente de “Schering” se usa sobre todo para materiales aislantes, no

interesa tanto la resistencia Rx, sino el factor de pérdidas, que es: D = w C3 R3

La operación más fácil para obtener el equilibrio se consigue manteniendo constantes los

valores de R3 y C4, y regulando R2 y C3. En este caso se consigue la lectura independiente,

pues C3 no entra en la fórmula de Cx e interviene directamente en la determinación de D.

En cambio R2 entra solamente en el cálculo de Cx.

15

DESCRIPCIÓN EL CIRCUITO El sistema se divide en dos (2) secciones un conjunto principal y otro de visualización, El diagrama de bloques muestra como está armado el capacímetro.

16

DIAGRAMA DE FLUJO DEL CAPACÍMETRO

17

EL conjunto principal consta de una llave selectora S1, dos (2) multivibradores estable, un multivibrador monoestable doble y una compuerta de habilitación. Para la escala seleccionada, el astable A genera un tren de pulso de frecuencia fija mientras la capacitancia a medir (Cx) controla la frecuencia del astable B. Las señales de A y B se combinan en la compuerta NAND para producir los pulsos de reloj del contador. La cantidad de pulsos que pasan mientras la señal de B es alta es numéricamente igual a la capacitancia de Cx en picofaradios, nanofaradios o microfaradios. Los astables A y B se obtienen de dos chips 555 y la compuerta NAND de un 4011B. El selector S1 es de tipo DP3T (Dos polos tres posiciones). La posición del selector determina al mismo tiempo el periodo del astable A (oscilador Maestro) y el tiempo de carga del astable B (oscilador de lectura). Estos tiempos se evalúan mediante las siguientes formulas: TA = 0.693 ( R1 + 2RTA ) C2 TCB = 0.693 ( R4 + R5 + RTB ) Cx

18

Donde RTA Y RTB son los valores suministrados por el selector a los astables A y B en cada escala. Como puede verse, el valor de TCB es proporcional al valor del condensador Cx que se pretende medir. Los valores de TA y TCB son claves para garantizar la lectura final de los displays corresponda con el valor real de Cx. La tabla resume los valores teóricos de RTA y RTB para cada escala.

El circuito de visualización consta de un contador, con decodificador y tres displays de siete (7) segmentos.

Para la escala de 1000 pF, RTA es de 360Ω. Esto implica que R2 debe ajustarse a 360Ω. Así mismo, para la escala de 1000 nF RTB = 13,8KΩ puesto que R8 = 10 KΩ R9 debe ajusarse a 3.8 KΩ. Esos puntos de ajustes son teóricos. La tabla relaciona también el valor nominal de A y el valor máximo de TCB para cada escala (999pF, 999nF ó 999 uF). Durante el tiempo TCB, la salida del astable B es alta y los pulsos del astable A pasan al contador. Durante el resto del periodo, esa salida es baja y el contador no recibe pulsos. La cantidad de pulsos contabilizados en el tiempo TCB deben ser siempre, numéricamente igual al valor de Cx en cada escala. Por ejemplo, se Cx = 330 pF y el selector está en 1000pF TCB = 3,4 ms. Durante este tiempo deben pasar al contador 330 pulsos. Por tanto, R2 debe ajustarse de modo que TA sea igual 3,4 / 330 = 10.33 us. Cuando en cada escala se mide la máxima capacitancia posible, por ejemplo 999pF en la escala 1000 pF, pasan 999 pulsos hacia el contador y la lectura es máxima. Los pulsos a la salida de la NAND alimentan el circuito de visualización, formado por el monoestable 4528B y contador 4553 B, el codificador 4543B y los tres displays.

19

FASES O ETAPAS DEL PROYECTO

ESQUEMA DE CONEXIÓN

HERRAMIENTAS PARA IMPLEMENTAR EL PROYECTO MATERIALES REQUERIDOS Hardware

RESISTENCIA R2 - TRIMER-500 Ω IC4 - CD4528B

R1 - 330Ω R9 - TRIMER-5KΩ IC5 - MC14553B

R3 - 270KΩ CONDENSADORES IC6 - CD4543B

R4 -120 Ω C1,C2 - 0.01 Uf DISPLAY ( ANODO COMUN)

R5 - 470Ω C3, C4 - 470 pF DISP1- DISP3: LA6960

R6 - 1MΩ C5 - 0.001 Uf OTROS

R7 - 3.9 MΩ C6 - 0.1 Uf 1 LLAVE SELECTORA3P4T.S1.

R8, R1 - 10KΩ TRANSISTORES

PNP

20

R10 - 10 MΩ Q1-Q3 - 2N3906

R13, R13 - 6.8 KΩ CIRC. INTEGRADOS

R14 - R20 - 220Ω IC1, IC2 LM 555

R21 - R23 - 1KΩ IC3, CD4011 B

Software

El software de simulación es Proteus es una compilación de programas de diseño y simulación electrónica, desarrollado por Labcenter Electronics que consta de los dos programas principales: Ares e Isis, y los módulos VSM y Electra.

CALIBRACIÓN. Para calibrar el capacímetro, sitúe el selector S1 en la escala de 1000 pF e inserte en el socket De Cx un condensador cuya capacitancia sea conocida y este dentro de este rango. Por ejemplo, 330pF. A continuación ajuste el valor del potenciómetro R2 hasta que la lectura en los displays coincida con el valor bajo prueba. Ahora sitúe el selector en la escala 1000 nF e inserte en el socket de Cx un condensador cuya capacidad sea conocida y esté dentro de ese rango. Por ejemplo, 0.47 uF = 470 nF. Ajuste el potenciómetro R9 hasta que el valor de los displays coincida con el valor en nanofaradios del condensador bajo prueba. La escala de 1000 uF no necesita calibración.

21

CONCLUSION

La construcción del capacímetro es muy sencilla y su coste muy bajo. Se trata de un pequeño equipo que puede dar grandes servicios y además rinde cuenta del desarrollo del curso Instrumentación y mediciones.

El montaje descrito es un prototipo sencillo, se puede dar un alto grado de

exactitud y precisión, pues se comprobó que responde de manera asertiva

en la medición de condensadores electrolíticos.

El montaje en Proteus aseguró a través de la simulación el funcionamiento y

coadyuvó al entendimiento de cada uno de los componentes.

El componente teórico afianzó a los estudiantes en la realización del proyecto

como también ayudó a la solución de los problemas presentados.

Fue necesario investigar y descargar libros con información referente al tema

y consulta foros en internet y videos para descartar la falla presentada

Fue necesaria la simulación antes de poder implementar en físico el circuito

Al final se pudo constatar en la simulación en Proteus el funcionamiento

básico del microprocesador y la ejecución de las instrucciones del programa

de secuencias

Como Acciones De Mejora; sería importante poder tener un blog de laboratorio de

electrónica donde podamos tener acceso a la información y guías de laboratorio

actualizado y horario. También debemos fortalecer los medos de interacción y

comunicación en la UNAD, las distancias no deben ser una limitante en nuestro

desarrollo académico – profesional.

22

BIBLIOGRAFIA

[1].'Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas de Medición' de W. Cooper. Editorial Prentice Hall 1982. [2].'Análisis de medidas eléctricas' de E. Frank, Editorial Mc Graw Hill 1969 [3].SHRADER R.L. Electronic Communication Edit. McGraw Hill, 1993 [4].http://prezi.com/i0piilggcavj/puentes-de-medicion/ [5].http://www.buenastareas.com/ensayos/Mediciones-De-Puentes/2514144.html

[6].http://prof.usb.ve/mirodriguez/InstCap5.pdf [7]. http://iaci.unq.edu.ar/materias/ins_med/archivos/Instymed_t7.pdf

[8]. http://books.google.com.co/books?id=ENwTPoYjLdsC&pg

[9]. http://books.google.com.co/books?id=Gj9Wyr7keDsC&pg

[10]. ttp://www1.frm.utn.edu.ar/medidase1/practicos/puentes_corriente_alterna.pdf

[11]. http://elimperioelectricista.wikispaces.com/Mediciones+El%C3%A9ctricas

[12]. IRWIN, J David. Analisís Básico de Circuitos en Ingeniería. Prentice Hall. Hispanoamerica.1997. [13]. MALVINO, Albert P..Principios de Electrónica. 1996: McGraw-Hill. 1991.

[14]. BOYLESTAD, Robert L, NASHELSKY, Louis. Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos.

Pearson Educación. Mexico. 2003.

[15]. http://www.isaachernandez.com.ve/capacimetro-digital-cekit/

[16].http://www.eradiocontrol.com.ar/?Circuitos_de_medicion_y_pruebas:Capacimetro_e_inductometro_con_P

IC16F84_o_PIC16F628

[17]. http://www.pesadillo.com/pesadillo/?p=6965

[18]. http://elm-chan.org/

[19]. http://www.microchip.com

[20]. http://www.neoteo.com/foro/f9/problema-capacimetro-autorango-1458/

[21]. http://frvm.utn.edu.ar/carrera/grado/electronica/tecnologia/documentos/Capacimetro.pdf