Sensores de posición Incrementales

Los sensores de posición incrementales, dan un determinado número de impulsos por vuelta y requieren un contador para determinar la posición a partir de un origen de referencia,  deben acompañar al elemento cuya posición se quiere medir. Poseen dos zonas que tienen propiedades distintas y pueden ser diferenciadas inequívocamente. La disposición de estas zonas es equidistante y alternada.

Este tipo de sensores se utiliza cuando el método de codificación absoluto es demasiado incomodo debido al tamaño del disco.

Fig. 1: Elementos de un codificador incremental

Al incrementar la posición se produce un cambio a la salida si se atraviesa un cambio de zona. La resolución de estos sensores está dada por la cantidad de impulsos de salida.

D: es el diámetro del disco donde se encuentran las zonas.

X: es el ancho de cada sector codificado.

Generalmente un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras ubicadas muy juntas alrededor de su circunferencia. O también un disco con líneas claras y oscuras alternadas que giran delante de un foto sensor.

Cuando el sistema comienza a funcionar el emisor de luz empieza a emitir; a medida que el eje vaya girando, se producirán una serie de pulsos de luz en el receptor, correspondientes a la luz que atraviesa los huecos entre las marcas. Llevando una cuenta de esos pulsos es posible conocer la posición del eje.

El problema con este tipo de sensor es que no ofrece una posición absoluta, ni tampoco nos indica el sentido de avance. Por eso es necesario proveer al sistema de la posición 0 y a partir de ahí comenzar a contar hacia delante o hacia atrás. Para solucionar estos problemas se suele introducir otra franja de marcas por debajo, (ver figura 2) desplazada de la anterior, para poder controlar el sentido del giro; además suele ser necesario el empleo de una marca de referencia que nos ayudará a saber si hemos completado una vuelta.

Fig. 2: Patrones del disco de codificación incremental con 2 franjas, e indicador de 0.

(A: Franja principal, B:Franja secundaria, C:Marcador de 0)

Desventajas:

• Se pierde información de la posición si se deja de alimentar al sistema.
• Son necesarios contadores bidireccionales.

Estos codificadores pueden ser magnéticos, ópticos u eléctricos. Y su salida generalmente es un tren de pulsos.

Los codificadores que ofrecen mayor resolución son los ópticos. Ya que el tamaño del fotosensor es el que limita la distancia entre las ranuras, una forma de aumentar la resolución es colocar otras rejillas fijas entre las rejillas móviles y el sensor. De esta forma el detector recibirá el máximo de luz cuando todas las rejillas estén perfectamente alineadas. Y a medida que se mueva la intensidad decrecerá hasta llegar a un mínimo, por lo tanto se puede disponer de una señal continua entre los máximos.

[1]http://www.pc-control.co.uk/incremental_encoders.htm
[2]http://www.tecnoficio.com/electricidad/velocidad_de_motores_electricos5.php

555 como Monostable

Otra forma de trabajo del 55 es como monoestable. De esta forma por cada disparo que le apliquemos obtendríamos un pulso del ancho correspondiente al tiempo de carga del capacitor. 

Fig.21: Esquema 555 Monoestable

La salida del Monoestable, como dije antes, es el tiempo de carga del capacitor y por lo tanto es linealmente dependiente con el nivel de líquido H.

En reposo Cx esta descargado, y por lo tanto la salida está en nivel bajo. Cuando se envía un pulso negativo por la entrada de disparo, la salida pasa a nivel alto y el transistor se pone en corte. Cx comienza a cargarse a través de Ra hasta que la tensión sea igual o superior a 2/3 Vcc. En ese momento el flip flop vuelve a cambiar y permanece en nivel bajo nuevamente hasta que aparezca un nuevo pulso.

La ecuación de carga de un circuito RC es la siguiente.

Vf = Voltaje máximo que puede aplicarse al capacitor

Vi = Voltaje inicial del capacitor

Vc= es el voltaje en el tiempo del condensador.

Igual que en el modo Astable 

Tau es la constante de carga del capacitor, y en este caso Tau=Ra.Cx , el voltaje final del capacitor cuando el flip flop cambia de estado será:

Reemplazando (3) en (2) tenemos:

Esto quiere decir que el tiempo para llegar a los 2/3 Vcc es:

Fig.22: Diagrama de tiempos Monoestable 

Si ahora colocamos al final del 555 un circuito integrador. Obtendríamos una tensión proporcional al área bajo la curva de salida. En particular por ser una onda rectangular obtendríamos una onda triangular. El área será el tiempo t por Vo (la tensión de salida en nivel alto).

555 como Astable

Inicialmente se supondrá que el capacitor esta completamente descargado. Y además que las entradas a los AO tienen alta impedancia.

En este circuito los Amplificadores Operacionales están funcionando como comparadores de tensión.

Cuando se aplica la tensión de alimentación, como los dos comparadores están conectados juntos, y este punto es 1/3 Vcc, se activará el comparador inferior dándonos un nivel Alto a la salida (un 1), esto hará que el transistor permanezca en corte, hasta que el capacitor Cx se cargue.

En este momento si miramos el circuito podemos ver que es un circuito RC comun en serie.

Fig.13: Circuito RC Serie de Carga

 La ecuación de carga de un circuito RC es la siguiente.

Vf = Voltaje máximo que puede aplicarse al capacitor

Vi = Voltaje inicial del capacitor

Vc= es el voltaje en el tiempo del condensador.

Tau es la constante de carga del capacitor, y en este caso Tau = (Ra+Rb).Cx

Como la salida de los dos AO estan unidas y su voltaje de referencia es el voltaje del capacitor. Para que la salida del Flip Flop cambie, la salida del capacitor debe ser superior a 2/3 de Vcc, por lo tanto para lograr esa situación:

Reemplazando (3) en (2) tenemos: 

Esto quiere decir que el tiempo inicial para llegar a los primeros 2/3 Vcc es: 

Luego de llegar a este punto, el flip flop conmuta, esto hace saturar al transistor y deja circular una corriente, iniciándose la etapa de descarga del capacitor. 

Fig.14: Circuito RC Serie de descarga.

Durante esta etapa, el capacitor se descarga únicamente a través de la resistencia Rb.

Recordar que el condensador solo quedo cargado hasta 2/3Vcc, por lo tanto la ecuación de descarga estará dada por:

 Donde

 El capacitor se descargará hasta llegar a 1/3Vcc, en este punto el comparador se activará y el flipFlop volverá a conmutar. Por lo tanto.

 Reemplazando (6) en (5) , y resolviendo la ecuación se llega a:

 Esto quiere decir que el tiempo para descargarse es:

 Ahora volvemos al estado inicial, con la salvación que el capacitor no está completamente descargado sino que tiene una carga de 1/3 Vcc, por lo tanto la ecuación de carga no será exactamente igual a la anterior.

 Reemplazando (8) en (1)

 Al momento de conmutar , entonces

 Finalmente el tiempo de carga estará definido por :

 Los tiempos de conmutación serán t2 y t3. Por lo tanto el periodo de la señal se cuenta luego de t1, ya que este tiempo no vuelve a repetirse.

 Fig. 15: diagrama de tiempos,

Habiendo explicado cómo se genera la salida, solo nos queda encontrar la frecuencia de oscilación.

Esta frecuencia es la que determinará el valor de Cx que nos permitirá calcular el nivel de liquido.

La frecuencia de la salida será la inversa del periodo.

Para encontrar la frecuencia de oscilación, se coloca a la salida un contador. Este contador lo que hará será contar la cantidad de veces que cambia de flanco en un determinado tiempo. Obteniendo de esta manera la frecuencia de la señal. Una vez obtenido f y siendo conocidas Ra y Rb, el cálculo de Cx es trivial.

Medir la capacitancia

El diseño más sencillo para medir capacitancia, se basa en un oscilador de relajación. La capacitancia a detectar forma parte de un circuito RC o LC. A continuación se muestra un diagrama en bloques de como sería el circuito propuesto.

Fig.8: Diagrama en bloques

Como podemos ver, tenemos el capacitor variable Cx, un bloque con el integrado 555, y un contador de ciclos.

Cuando se configura al 555 como astable, con esto queremos decir que no tiene un modo estable sino que alterna entre 2 modos estables, la salida se caracteriza por ser con forma de onda cuadrada o rectangular continua. El ancho de la onda será definido por el circuito exterior. Observando en la Figura 9, podremos ver como es el esquema de conexión completo.

La señal de salida tendrá un nivel alto durante un tiempo t2 y un nivel bajo durante otro tiempo t3, estos tiempos estan definidos por las resistencia Ra, Rb y el capacitor variable Cx. Ver Fig 10 para mas información.

Fig.9: Esquema de conexión

Fig.10: Diagrama de tiempos de salida y carga y descarga del capacitor.

La frecuencia de oscilación estará definida por:

El Duty Cycle o ciclo de trabajo del 555 está definido por la relación entre los tiempo t2 y t3, 

Si observamos el ciclo de trabajo no depende del capacitor, solo depende de las resistencias de carga y descarga, por lo tanto si mantenemos las resistencias fijas el D no cambiará, y si variamos el Capacitor, lo único que variara será la frecuencia de oscilación.

Fig.11: Variación del Duty Cycle. Sin variar la frecuencia.

Otra forma de calcular el flujo seria modificando la conexión del 555, y en vez de utilizarlo como astable, usarlo como monoestable. De esta forma por cada disparo que le apliquemos obtendríamos un pulso del ancho correspondiente al tiempo de carga del capacitor.

Fig.21: Esquema 555 Monoestable

La salida del Monoestable, como dije antes, es el tiempo de carga del capacitor y por lo tanto es linealmente dependiente con el nivel de líquido H o nivel de dielectrico.

• [1] Sensores y acondicionadores de señal, Ramon Pallas Areny (3ra Edicion)
• [2] Principles of Measurement Systems, John P. Bentley(4ta Edicion) (p. 160)
• [3] Departamento de Fisica Aplicada III Universidad de Sevilla
• [4] Fundamentos de electromagnetismo para ingenieros, David K. Cheng (p. 120)
• [5] Fundamentos de circuitos eléctricos , Alexander Sadiku (3ra Edicion) (p. 215, 399)
• [6] Instrumentación Industrial, Antonio Creus (6ta Edicion) (P. 209)
• [7] Wikipedia Sensores Capacitivos
• [8] SA Tema 06 Sensores Capacitivos, E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo