miércoles, 11 de julio de 2007

Transmisor de Caudal EDRS_256

TRANSMISOR DE CAUDAL EDRS_256

FICHA DE DATOS TECNICOS:

TRANSMISOR DE CAUDAL MODELO EXPERIMENTAL
- RANGOS DE 0,25 A 6,5 Lts/min.
- INDICACIÓN DEL PARAMETRO FLUJO EN Lts/min, RESOLUCIÓN 0.01
- AJUSTE DE CERO Y SPAN
- 1 SALIDA DE 4 – 20mA
- CAJA DE PLASTICO CON DISPLAY
- ALIMENTACIÓN DE ENTRADA +12, -12, GND

CARACTERISTICAS DEL TRANSMISOR:
RANGO DE MEDIDA: DE 0,25 A 6,5 Lts/min
UNIDAD DE MEDIDA: Lts/min (UN LITRO POR MINUTO)
PRECISIÓN: + 1% DE LA LECTURA
TIEMPO DE RESPUESTA: 0,01 seg
RESOLUCIÓN: 0,01
AJUSTE DE CERO: MANUAL CON AJUSTE FINO Y GRUESO DESDE – 0,75 HASTA 0,75.

ESPECIFICACIONES TECNICAS:
ALIMENTACION: + 5VDC, a 60 Hz y 1 Amp.
SALIDA: 1 de 4 – 20 mA
CONEXIÓN ELECTRICA: Bornes para cables diametro 1,5 mm2 máx.
USO: Medición de caudal de agua.


DIMENSIONES Y CONFIGURACIÓN DEL TRANSMISOR:
TAMAÑO DE LA CAJA CON SOPORTE DE FIJACIÓN.


CARACTERISTICAS DE LA CAJA:
CAJA DE PLASTICO
DIMENSIONES: Ver dibujo
PROTECCIÓN:
DISPLAY: alfanumérico, 1 display triple ánodo común, 200mm x 498mm, retroiluminado.
ENCAJES DE TORNILLOS: agujeros de f 5,2 mm.
PESO: 350 gramos.

CONEXIÓN ELECTRICA:
CONECTOR Y CUERPO DEL TRANSMISOR.


AJUSTE Y CALIBRACIÓN: Un potenciómetro, permite el ajuste del transmisor mediante su ajuste de cero y span.

DIAGNOSTICO DE SALIDA: Se introduce a la entrada del transmisor un cantidad de pulsos variables (Vcc para un “1” lógico hasta 400 mVolts para el “0” lógico) que son totalizados en un segundo, estos son comparados en una tabla que generara a la salida una corriente de 4 a 20 mA proporcional al aumento de la rata de caudal que fluye por el sensor de tubina.

GUIA PARA EL MONTAJE RAPIDO:
PASO 1: MONTAJE DEL SENSOR AL TRANMISOR.
COLOCAR EN LA ENTRADA DE CONEXION DEL SENSOR LOS PINES CORRESPONDIENTES AL SENSOR UBICADO EN LA TUBERIA A MEDIRLE LA VARIABLE.

PASO 2: IDENTIFICACION DE PUESTA EN SERVICIO.
ES RECOMENDABLE COLOCARLE UNA ETIQUETA DESPUES DE INSTALADO EL TRANSMISOR PARA IDENTIFICAR SU PUESTA EN SERVICIO.

PASO 3: TOMAR EN CUENTA LOS PUNTOS DE AJUSTE Y ROTACION.
PARA MEJORAR EL ACCESO AL CABLEADO ES NECESARIO CONSIDERAR ANTES DE INSTALAR EL TRANSMISOR EN EL PROCESO, EL LUGAR MAS ADECUADO QUE NO INTERFIERA CON LOS AJUSTES DE CERO Y SPAN.

PASO 4: CONEXION DEL CABLEADO Y ENCENDIDO
UTILIZAR CABLE DE COBRE ORDINARIO DE BAJO CALIBRE PARA ASEGURAR QUE EL VOLTAJE DE ALIMENTACION NO SEA INFERIOR AL QUE NECESITAMOS. PARA ALIMENTAR EL TRANSMISOR, CONECTAR LOS CONDUCTORES A LOS TERMINALES INDICADOS. LOS TERMINALES DE CONEXICION DEPENDEN DE LA POLARIDAD HAY UNA ENTRADA PARA 12 VOLTIOS OTRA PARA -12 VOLTIOS Y LA TIERRA (GND). ASEGURARSE QUE HAGA BUEN CONTACTO. NO SE REQUIERE ALIMENTACION ADICIONAL.

PASO 5: VERIFICACION DEL FUNCIONAMIENTO.
AL CONECTAR TODA LA ALIMENTACION SE ENCIENDE EL TRANSMISOR AL INTRODUCIR A LA ENTRADA, PULSOS DE 4600 APROXIMADAMENTE POR LITROS EN UN MINUTO SE REFLEJA EN LA SALIDA DEL TRANSMISOR EN SEÑAL DE 4 – 20 mA.

PASO 6: AJUSTE DEL TRANSMISOR.
LOS TRANMISORES ANTES DE FUNCIONAR DEBEN ESTAR PERFECTAMENTE CALIBRADOS EMPLEANDO EL PROCESO DE VERIFICACION SE HARA EL AJUSTE DE CERO FINO Y GRUESO.


Principio de funcionamiento del transmisor de caudal EDRS_256


El transmisor de caudal modelo EDRS_256, es un versátil instrumento para sensar caudales de flujos pequeños de hasta 6,5 litros/minutos. A partir de una entrada de pulsos los cuales son contados por un PIC, se totalizan en un segundo y se compara con diferentes rangos de operaciones especificados en la siguiente tabla:

Formula aplicada para elescalamiento:

Componentes eléctricosusados para el diseño del transmisor de caudal.

La etapa de visualización Litros/minutos, esta compuesto por los siguientes componentes:

-Un 7805 para regular el voltaje a 5 VDC suministrado por la fuente de 24 VDC. Con este voltaje de 5 VDC se estará alimentando todo el circuito correspondiente al PIC.
-Una compuerta NOT 7404 para filtrar la señal proveniente del sensor de caudal, si la turbina esta detenida esta en Vcc (flanco de subida) y cuando la turbina comienza a girar el fotodetector al dejar de ver la luz emitida por el led del sensor comienza a enviar pulsos de Vcc=5V. al flanco de subida y 400 mV flanco de bajada; que es cero prácticamente para la compuerta.
-Un PIC16F877 para contar los pulsos suministrados por el sensor en un segundo y generar el número de litros a partir de dichos pulsos en un segundo.
-Un cristal de cuarzo de 20 MHz para las oscilaciones del reloj interno del PIC, con dos condensadores de 33 pf.
-Un pulsador y dos resistencias de 100 KΩ y 150 Ω, para el reset del PIC.
-Un display ánodo común con resistencias de 330 Ω, para mostrar el número correspondiente al caudal medido por el indicador de flujo.

Para la etapa de transmisión de 4 a 20 mA. Se emplearon los siguientes componentes:
-Un DAC 0808 para la conversión de 8 bits a una señal analógica que permita general la salida de 4 a 20 mA.
-Un 7812 para regular el voltaje a 12 VDC suministrado por la fuente de 24 VDC. Con este voltaje de 12 VDC se estará alimentando todo el circuito correspondiente al DAC.
-Un Amplificador Operacional LM324 para el tratamiento de la señal.
-Otros componentes como: capacitares, diodo tener de 8.2 Volts y resistores, entre la que destaca una resistencia variable de 5kΩ que funciona como ajuste del cero del transmisor.

Esquema Circuital

Curva de Linealización y Escalamiento



Codigo fuente (programa) del PIC-16F877


;**********************************************************************
; PROGRAMA REALIZADO POR ERIKA GONZALEZ Y DARBYN CORREDOR
; PARA VISUALIZAR EL CAUDAL QUE PASA POR UN
; SENSOR DE FLUJO MODELO RS-257-149 FECHA: 18-06-2007
;**********************************************************************

LIST P=16F877
RADIX HEX
INCLUDE "p16F877.INC"
__CONFIG _CP_OFF & _WDT_OFF & _BODEN_ON & _PWRTE_ON & _HS_OSC

LOCAL_V EQU 20H
cblock LOCAL_V
R10
CONT
loops
loops2
endc

ORG 00H
goto INICIO
ORG 05H
INICIO clrf PORTA
clrf PORTB ;PUERTO B USADO PARA EL DAC0808 SALIDA DE 4 A 20 mA
clrf PORTC
clrf PORTD ;PUERTO D USADO PARA SALIDA HACIA EL DISPLAY
bsf STATUS,RP0 ;ME COLOCO EN EL BANCO 1 DE MEMORIA
bcf STATUS,RP1
movlw b'11000111'
movwf OPTION_REG ;temporización de 13ms
movlw b'00000110' ;
movwf ADCON1 ;PUERTO A COMO E/S DIGITAL
movlw b'00000001'
movwf TRISA
movlw b'00000000'
movwf TRISB
movlw b'00000001'
movwf TRISC
movlw b'00001000'
movwf TRISE
movlw b'00000000'
movwf TRISD ;
movlw b'00000000'
movwf PIE1
clrf PIE2
bcf STATUS,RP0 ;VUELVO AL BANCO CERO DE MEMORIA
bcf STATUS,RP1
bsf PORTD,6

;******* DESARROLLO DEL PROGRAMA ******
;**************************************

INICIO2 movlw b'00000010' ;SE DESHABILITA EL TMR1 Y SE CONFIGURA
movwf T1CON ;RELOJ EXTERNO EN LA PATITA RC0
clrf TMR1L ;INICIALIZAR TMR1 (0)
clrf TMR1H ;
bsf T1CON,TMR1ON ;INICIALIZAR EL TMR1
CALL RETARDO
bcf T1CON,TMR1ON ;INICIALIZAR EL TMR1
CALL COMPARA
GOTO INICIO2

RETARDO MOVLW D'77'
MOVWF CONT
RETAR2 clrf TMR0
RETAR3 btfss INTCON,T0IF
goto RETAR3
bcf INTCON,T0IF
decf CONT,F
BTFSS STATUS,Z
goto RETAR2
return

COMPARA MOVLW D'77' ;CERO
SUBWF TMR1L,W ;TMRL - W
BTFSS STATUS,C ;SI C=0 NUMERO NEGATIVO
GOTO NUMERO0

UNO MOVLW D'154' ;
SUBWF TMR1L,W
BTFSS STATUS,C
GOTO NUMERO1

DOS MOVLW 01H ;
SUBWF TMR1H,W
BTFSS STATUS,C
GOTO NUMERO2

TRES MOVLW 02H ;
SUBWF TMR1H,W
BTFSS STATUS,C
GOTO NUMERO3

CUATRO MOVLW 04H ;
SUBWF TMR1H,W
BTFSS STATUS,C
GOTO NUMERO4

CINCO MOVLW 09H ;
SUBWF TMR1H,W
BTFSS STATUS,C
GOTO NUMERO5
MOVLW B'00000011' ;(6)
MOVWF PORTD
MOVLW D'255'
MOVWF PORTB
RETURN

NUMERO0 MOVLW B'01000000' ;(0)
MOVWF PORTD
RETURN

NUMERO1 MOVLW B'01111001' ;(1)
MOVWF PORTD
MOVLW D'43'
MOVWF PORTB
RETURN

NUMERO2 MOVLW B'00100100' ;(2)
MOVWF PORTD
MOVLW D'85'
MOVWF PORTB
RETURN

NUMERO3 MOVLW B'00110000' ;(3)
MOVWF PORTD
MOVLW D'128'
MOVWF PORTB
RETURN

NUMERO4 MOVLW B'00011001' ;(4)
MOVWF PORTD
MOVLW D'170'
MOVWF PORTB
RETURN

NUMERO5 MOVLW B'00010010' ;(5)
MOVWF PORTD
MOVLW D'213'
MOVWF PORTB
RETURN

end
;**********************************************

miércoles, 6 de junio de 2007

Sensores Digitales de Temperatura basados en Fibra Óptica

INTRODUCCIÓN



El término 'Smart Sensor' se ha utilizado por varios investigadores en varios contextos diferentes, desde sensores que incorporan unos pocos dispositivos activos para proporcionar una señal de calidad, a sensores integrados que incorporan un bloque sofisticado de circuito electrónico con parte analógica y digital que permite convertir un sensor pasivo en un sensor inteligente. El sensor inteligente se define como un dispositivo capaz de:
1) Proporcionar una señal digital.
2) Comunicar a través de un bus digital bidireccional.
3) Ejecutar funciones y órdenes lógicas.
Además, es deseable que el sensor inteligente realice tanto estas funciones como la compensación de parámetros secundarios (por ejemplo. la temperatura), la prevención y detección de fallos, auto-test y autocalibración. El desarrollo de estos sensores aumentará mucho las capacidades de muchos sistemas del control y la instrumentación en lo que respecta a la comunicación con el mundo externo.
La "Fig. 1." muestra el diagrama de bloques de los elementos de un sistema de medida y control electrónico típico. Los sensores proporcionan información analógica al sistema, esta información se acondiciona antes de pasar al microprocesador. El procesador interpreta la información, realiza las actuaciones necesarias y aplican esas decisiones vía los actuadores. Los sensores representan, en este esquema la conexión más débil en el desarrollo de la mayoría de los próximos sistemas de instrumentación y control de nuevas generaciones










EVOLUCIÓN DE LOS SENSORES INTELIGENTES

En la “Fig. 2.” se representan varias generaciones de sensores, desde los de tercera generación hasta los de quinta generación. Para ello primeramente se comparará con sensores no inteligentes.

Los dispositivos de primera generación no tienen electrónica asociada, mientras que los sensores de segunda generación forman parte de sistemas puramente analógicos con un control remoto del sensor. Por otra parte los sensores de tercera generación, que son en los que se basan la mayoría de los sistemas actuales, la primera etapa de amplificación se realiza en el módulo del sensor o en el mismo chip. Así, la señal que aportan los mismos es una señal analógica de alto nivel, codificado, con una variación de tensión o como una señal de frecuencia variable. Esta señal se convierte a digital y posteriormente se procesa mediante un microprocesador. La cuarta generación de sensores se caracteriza por que la mayor parte de la electrónica, tanto analógica como digital, está en un chip, permitiendo, así, el direccionamiento del sensor y en algunos casos el autotest mediante comunicación entre el sensor y el microcontrolador. Los sensores de quinta generación, en los que la conversión de datos se realiza en el módulo del sensor, para que la conexión bidireccional entre el microcontrolador sea digital. Estos dispositivos se pueden compensar, digitalmente, utilizando PROMs. Este tipo de sensores está caracterizado por varios atributos: comunicación bidireccional de datos y ordenes, transmisión totalmente digital, procesamiento digital local, testeo propio, algoritmos definidos por usuario y algoritmos de compensación.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO


Las fibras ópticas trabajan basándose en la diferencia de los índices de refracción del nucleo (n1) y del recubrimiento óptico (n2). Sí estos parámetros se mantienen fijos no habrá fluctuaciones en la potencia óptica a través de la fibra, mientras la potencia óptica del transmisor sea constante.

La diferencia relativa entre los índices de refracción del nucleo y del recubrimiento óptico está definida por:donde ∆ es la diferencia relativa entre los índices de refracción, n1 es el índice de refracción del nucleo y n2 el índice de refracción del recubrimiento.

Generalmente esta diferencia relativa es mucho menor que la unidad típicamente del orden del 1% para fibras multimodo y de 0,1 % para fibras monomodo. El índice de refracción del nucleo debe ser ligeramente mayor que el índice de refracción del recubrimiento óptico para que la fibra cumpla con las condiciones de guía óptica.

Los índices de refracción del nucleo y del recubrimiento óptico en una fibra son, en general, independientes de la temperatura. Una de las formas en que la fibra óptica puede ser utilizada como sensor de temperatura, es utilizado en recubrimiento óptico que presente una variación de su índice de refracción con respecto a la temperatura. Para ello se suelen emplear líquidos, como aceites u otras sustancias orgánicas, o bien elastómeros sólidos. Todos ellos presentan un índice de refracción cercano al del recubrimiento óptico pero un coeficiente de variación respecto de la temperatura mucho mas pronunciado.

El funcionamiento de este tipo de sensores puede ser explicado a través de un modelo teórico. Este modelo se describirá a continuación, y está basado en la teóría de las fibras de escasa conducción. El modelo es una aproximación que no toma en cuenta la longitud del sensor, pero como se verá más adelante, se correlaciona de manera bastante aproximada con los resultados experimentales.

Asumiendo que la fibra se encuentra transmitiendo una cierta cantidad de potencia óptica, constituida por potencia en el núcleo y en el recubrimiento, la potencia total se puede expresar como: donde los subíndices 1 y 2 se refieren al nucleo y al recubrimiento óptico de la fibra respectivamente. Luego, la relación de potencia óptica entre el núcleo y recubrimiento se puede hallar como: donde Nm representa el número total de modos en el espacio libre que son aceptados y transmitidos por una fibra de índice escalonado. El número de modos se relaciona con el llamado parámetro v mediante la siguiente relación: El parámetro v a veces conocido como la frecuencia normalizada, es una propiedad fundamental de la fibra, debido a que depende de sus parámetros más importantes y se define como: donde a1 es el radio del nucleo de la fibra , λ es la longitud de onda de operación y n es el índice de refracción.

Suponiendo un material de recubrimiento óptico cuyo índice de refracción dependa de la temperatura, podemos hallar una expresión para la potencia (normalizada) en el extremo de la fibra en función de la temperatura, que se puede escribir como:De esta última expresión, se puede ver que la potencia transmitida a través de la fibra es dependiente de la temperatura y sigue una relación no lineal, en forma de la inversa de una raíz cuadrada.

En la siguiente figura se muestra una gráfica de la potencia normalizada en función de temperatura. Los parámetros utilizados para construir la curva fueron los que posteriormente se usaron de manera experimental:


La dependencia del índice de refracción del recubrimiento óptico con la temperatura en una aproximación, ya que se considera que la mayoría de los líquidos orgánicos presentan un coeficiente de variación lineal.

TIPOS DE SENSORES DE TEMPERATURA

Termómetros de vidrio
– Indican la Tª como diferencia entre el coeficiente de dilatación del vidrio y del líquido empleado.
– Los más comunes son: Mercurio: (-37º C, 315ºC), Mercurio con gas inerte (N2): (-37ºC, 510ºC), Alcohol: hasta -62ºC
– Precisión 1% del rango.

Termómetros de bulbo
– La variación de Tª produce la expansión o contracción del fluido lo que deforma el recinto que lo contiene.
– La deformación es apreciada por un muelle Bourdon y transmitida a un indicador o transmisor.
– Rango: (-40ºC a +425ºC).
– Precisión: 1%.



Termómetros bimétalicos
– Constan de dos láminas metálicas con diferente coeficiente de dilatación, unidas sólidamente por sus extremos.
– Muy usados como termostatos.
– Cuando por efecto de la Tª se dilatan, se deforman produciendose un esplazamiento mecánico cuya fuerza se emplea para mover una aguja indicadora o activar un mecanismo de control.
– Helicoidales.
– Rango: 0 a 500 ºC.
– Precisión: 1%.
– Termómetros de resistencia metálica (RTD´s)
– Se basan en que la resistencia eléctrica de metales puros aumenta con la Tª. En algunos de forma casi lineal.
– Este principio proporciona una forma muy precisa de medir.
– Se necesita un material: resistente a la corrosión y ambientes hostiles, comportamiento lineal, alta sensiblidad, fáciles de fabricar y estables.

Termómetros de resistencia metálica. RTDs
– Se basan en que la resistencia eléctrica de metales puros aumenta con la Tª. En algunos de forma casi lineal.
– Este principio proporciona una forma muy precisa de medir.
– Se necesita un material: resistente a la corrosión y ambientes hostiles, comportamiento lineal, alta sensibilidad, fáciles de fabricar y estables.
– Pt y Ni.

Termistores
– NTC (Negative Temperature Coefficient).
– Semiconductores o cerámicos.
– Alta sensibilidad 100 ohmios/grado (la PT100: 0.385 ohmios por grado).
– No lineal R(T) = R(T0) exp{-B(1/T-1/T0)}. Linealizar en torno al punto de trabajo.
– Rango de Tª pequeño. Útil para Tª ambiente.
– Muy baratos y pequeños (=> menor cte. de tiempo).
– Menos precisión (a veces no interesa más).
– Problemas de estabilidad: hay que “envejecerlos”.

Termopares
– Sensores activos. Usan el efecto Seebeck: circula una corriente cuando dos hilos de metales distintos se unen y se calienta uno de los extremos.
– Se puede medir el voltaje, que es proporcional a la diferencia de temperaturas.
– Señal de salida muy baja: milivoltios. Necesita acondicionamiento de la señal.
– Sensibilidad baja: microvoltios por grado.
– Aguantan altas temperaturas (p.e. calderas).
– Bastante lineales.

Pirómetros de radiación
– Métodos sin contacto.
– Se basan en la ley de Stefan-Boltzmann: todas las sustancias a cualquier Tª por encima del cero absoluto, radian energía como resultado de la agitación atómica asociada con su Tª. La intensidad de la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la Tª absoluta del cuerpo, W= K T4.
– Consisten en un sistema óptico que recoge la energía radiada y la concentra en un detector, el cual genera una señal proporcional a la Tª.
– La energía radiada por un cuerpo es menor que la correspondiente a su Tª, debido a que refleja energía como consecuencia del estado de su superficie.
– Por ello es necesario definir un cuerpo radiador ideal que no refleje nada (emite el máximo de energía por unidad de superficie): "cuerpo negro".
– Para corregir la medida se define el factor de emisividad: relación entre la energía emitida por un cuerpo y la emitida por el cuerpo negro.
– Los pirómetros son usados: cuando no se pueden utilizar termopares (rango, ambiente agresivo), cuando el área a medir se mueve o tiene difícil acceso.

Pirómetros ópticos
– Se basan en el hecho de comparar visualmente la luminosidad del objeto radiante con el filamento de una lámpara incandescente.
– Para ello se superponen ambas ondas luminosas y se varía la corriente eléctrica de la lámpara hasta que deja de ser apreciable a la vista.
– La variación de la corriente nos da un valor de la Tª, pero hay que calibrar la luminosidad de la lámpara previamente.
– Trabajan en la banda de ondas visibles: 0,45 micras (violeta)-0,75 micras (rojo).
– Fueron los primeros aparatos de pirometría, todavía se usan pero no son elementos convencionales.


Pirómetro de Radiación Total
– Tienen unos detectores que captan simultáneamente todas las radiaciones emitidas en la zona del espectro entre 0,3 y 20 micras.
– Los detectores son de tipo térmico: "termopilas" (formados por varios termopares Pt/Pt-Rd montados en serie).
– La energía radiante que reciben les eleva la Tª y generan una tensión en milivoltios.
– Las variaciones de Tª de la caja del pirómetro son compensadas por una resistencia montada en paralelo con la termopila.


Pirómetros de dos colores
– Es un pirómetro con dos detectores similares, pero cada uno recibe la radiación en una longitud de onda diferente debido a que tienen distintos filtros.
– La relación entre las dos señales permite calcular la Tª del objeto sin necesidad de introducir el factor de emisividad.

CONSTRUCCIÓN DE LOS SENSORES DIGITALES DE TEMPERATURA

El diseño del sensor se basa en un prototipo desarrollado en el Laboratorio de Instrumentación de la ESIME-IPN, al que se le realizaron algunas modificaciones y mejoras a fin de adaptarlo a este proyecto en particular. Las mejoras que se introdujeron a principio tienen que ver con la reducción sustancial del tamaño del sensor. Esto implicó un menor desplazamiento volumétrico en el sitio de medición y una disminución en la constante de tiempo térmica de la respuesta. Por otra parte, se utilizó un aceite purificado como reemplazo del recubrimiento óptico, mediante el cual fue posible lograr la repetibilidad en la producción de varios sensores. Finalmente, se utilizaron cables prefabricados de fibra óptica, conocidos también como patch-cords o jumpers, evitando de esta manera la realización manual del conectorizado en las fibras, lo cualdegrada de manera considerable la transmisión de potencia.

Para la fabricación del sensor se empleó fibra óptica de vidrio multimodo de 62,5µm de diámetro del núcleo y 125 µm de diámetro del recubrimiento óptico. La estructura del cable que contiene esta fibra se muestra en la siguiente figura.

Se utilizo un patch-cord de 2 m de longitud con conectores de tipo ST (Wiremold, J44 KT2-2M ST/ST), el cual posee una atenuación maxima de 0,25 dB a 850 nm. Partiendo de este match-cord, se fabricó el sensor de acuerdo al siguiente procedimiento:

1- Se cortó el match-cord por la mitad, quedando por lo tanto dos trozos de cable de fibra óptica con un conecto ST en el extremo.
2- Se retiraron 10 cm de la protección plástica del cable en ambos trozos, asi como también los hilos de Kevlar, con la ayuda de una pinza de corte y una tijera.
3- Se retiraron 4 cm del primer y segundo buffer en ambos trozos con las pinzas especiales para tal fin, quedando así la fibra de vidrio al descubierto.
4- Se introdujo un tubo de vidrio de 4 cm de longitud en uno de los trozos de fibra óptica. Este tubo de vidrio posee 1,1 mm de diámetro externo y 0,9 mm de diámetro interno. Al tubo se le realizaron dos perforaciones para permitir la introducción del aceite.
5- Se volvieron a unir las fibras mediante un empalme de fibra óptica (RSX-X74). Este empalme realiza la unión de la fibra mediante fusión de vidrio.
6- A un lado del sitio de empalme, se realizo la remoción de una pequeña porción (1 mm) del recubrimiento de la fibra, mediante la utilización de ácido fluorhídrico al 50% durante 60 minutos.
7- Se neutralizó el ácido mediante una solucion de bicarbonato de sodio saturado, para evitar que siga actuando sobre la fibra y termine por destruirla.
8- Se colocó el tubo de vidrio por encima de esta porción sin recubrimiento y los extremos fueron sellados con pegamento tipo epoxy. El tubo se llenó con el aceite a través de una de las perforaciones y luego las perforaciones fueron selladas con epoxy.De esta forma se tiene finalmente el sensor, en el centro del cable de de fibra óptica, con un conector tipo ST a cada extremo del mismo. En la siguiente figura muestra en detalle la porción correspondiente al sensor.

En el diseño final del sensor se utilizaron trozos de termocontraíble Thermofit a ambos lados del tubo de vidrio, así como también un tubo de acrílico por encima para otorgar al sensor una mayor resistencia mecánica. En la figura siguiente se muestra una fotografía del aspecto final del sensor construido.

SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO


Circuito Analógico de acondicionamiento

Este circuito electrónico permite interpretar los valores de temperatura registrada por el sensor como variaciones en la transmisión de potencia óptica. El sensor dispone de un circuito de acondicionamiento, que consta de un circuito transmisor óptico y un circuito receptor óptico, lo que en conjunto construye un termómetro. El primero de ellos entrega una potencia óptica constante por uno de los extremos de la fibra, mientras que el segundo detecta la potencia en el otro extremo y entrega una señal de voltaje proporcional a la temperatura registrada por el sensor. En la próxima figura se puede observar un diagrama de bloques del termómetro desarrollado.

Esta etapa tiene como finalidad el acondicionamiento de las señales que son enviadas y recibidas por el microprocesador. Se compone de circuitos de acondicionamiento de las señales provenientes (señales de salida) y enviadas (señales de entrada) por el microprocesador y una fuente de alimentación de corriente directa. Para la etapa de acondicionamiento de señales de salida, se empleo en primer lugar un buffer de salida. Se escogió el circuito integrado 74HC245 por su facilidad para implementarse como circuito de acople y protección. Para las señales que se deben introducir a la tarjeta de adquisición, también se debe contar con un circuito encargado del acondicionamiento de estas señales como protección del sistema. Estas señales son recibidas a partir de los decodificadores ópticos. Ver las siguientes figuras:


Transmisor Óptico
El transmisor óptico es el responsable de inyectar una cantidad de potencia constante a través de uno de los extremos de la fibra óptica que contiene al sensor. El requisito fundamental para este circuito es el de proveer una señal luminosa con una potencia estable. De esta manera, las fluctuaciones de la potencia registradas en el otro extremo de la fibra se pueden atribuir a variaciones de temperatura en el sensor. Este es un problema frecuente en las diferentes aplicaciones que emplean fibras ópticas, donde solo interesa detectar las variaciones producidas por el fenómeno modulante y se busca por lo tanto que las variaciones intrínsecas de la fuente óptica puedan ser mínimas y como consecuencias despreciables.
Los diodos emisores de luz (LED´S), sufren efectos de la temperatura, así como también de envejecimiento. Por esta razón, aunque la corriente de inyección se mantenga constante la potencia óptica emitida por el LED no lo es. Por ello, se requiere el diseño de una fuente óptica estable, que cuente con los circuitos para lograr una compensación de las variaciones de la potencia óptica. Existen varios métodos para lograrlo y cada uno exige un nivel de sofisticación acorde con los resultados deseados. Una técnica de estabilización para los casos en que se requiere una estabilidad aceptable, asociada con un costo relativamente bajo, es la que se basa en la retroalimentación óptica de parte de la señal de la fuente. Esta técnica emplea un fotodetector que toma una parte de la luz emitida por el LED y la retroalimenta negativamente a la fuente. De esta forma, cuando por alguna razón la cantidad de potencia emitida por el LED tienda a variar, la retroalimentación emitida compensará esta variación, causando que la fuente ejerza un efecto contrario sobre la variable eléctrica (corriente o tensión) que maneja la emisión de potencia del LED.
Este transmisor óptico se basa en la técnica de retroalimentación óptica. Como elemento emisor, emplea un LED de alta velocidad, el OPF 1414 (Optek). El mismo posee una longitud de emisión pico de 840 nm y potencia de emisión de 63 µW en una fibra óptica de 62.5/150. Viene provisto de un conector estándar del tipo ST para cable de fibra óptica. En la siguiente figura se muestra una fotografía del aspecto externo del LED utilizado.

Para poder llevar acabo la retroalimentación óptica toma una parte de la señal del emisor mediante un fototransistor, se elimina la protección externa ubicada a un lado del LED hasta lograr la exposición de una parte de la zona emisora de luz; sobre esta zona se pega el fototransistor mediante un epoxy transparente, de modo que pudiera captar una pequeña cantidad de luz emitida por el LED. En la siguiente figura se muestra un esquema del aspecto final de la construcción:

El circuito de compensación utilizado comprende el fotodetector (fototransistor), un amplificador de voltaje, un circuito comparador, una referencia de voltaje, el LED emisor y un circuito de polarización para manejar el LED. En la siguiente figura se presenta un diagrama de bloques del sistema de control.


A continuación se muestra el circuito esquemático del transmisor óptico. El fototransistor. El fototransistor se polariza de tal modo que se obtenga una corriente en reposo de 10 mA. Para ello, de acuerdo a las características suministradas por el fabricante en la hoja de datos del dispositivo, se emplea una resistencia de emisor conectada a tierra de 470 KΩ. A partir de esto, se obtiene una tensión de salida en reposo de 2,5 V. Cuando el dispositivo se expone a una fuente de luz, cuya longitud de onda es de 880 nm, la tensión de salida conforme aumenta la luz que incide sobre el dispositivo. De esta forma se obtiene una tensión proporcional a a cantidad de potencia óptica emitida por el LED. Esta señal de tensión es amplificada por un circuito no inversor de ganacia ajustable entre 1,112 y 1,012. Este fue incluido para poder tener un ajuste fino en el nivel de la señal que se retroalimenta hacia el LED. La siguiente etapa es un circuito que cumple la función de comparar la señal detectada por el fototransistor con una señal de referencia muy estable. Se utilizó un amplificador operacional en configuración de amplificador diferencial, donde la entrada positiva corresponde a la señal de referencia y la negativa a la señal proveniente del fototransistor, de modo de lograr el efecto buscando la retroalimentación negativa. La señal de referencia fue generada mediante un dispositivo que es una referencia de tensión de muy alta estabilidad. La salida del circuito comparador se inyecta, a través de una resistencia, a la base de un transistor que es el encargado de manejar la corriente del LED emisor. La resistencia de emisor del transistor fue calculada para obtener una corriente de reposo en el LED de 60 mA, de acuerdo a lo que especifica el fabricante del LED, para obtener una emisión de potencia óptica de 63 µW, sobre una fibra de 62,5/125 y en condiciones de acoplamiento óptimas. Los amplificadores operacionales utilizados en el diseño fueron de tecnología JFET por su bajo nivel de ruido y bajas derivas en las tensiones y corrientes de offset.

Receptor Óptico
Para poder detectar la variación de la potencia óptica producida por el sensor se empleó un circuito receptor, el cual convierte la potencia óptica en una señal de voltaje, que es proporcional a la potencia óptica que esta recibiendo del sensor a través del emisor. Como dispositivo optoelectrónico, para convertir la potencia óptica en una señal eléctrica, se empleó en primera instancia el receptor óptico OPF 2404 (optek). Este receptor se emplea como par complementario del LED OPF 1414, para la construcción de sistemas de comunicaciones mediante fibra óptica. Por lo tanto, este receptor también está provisto de un conector tipo ST para cable de fibra óptica y su aspecto exterior es idéntico al del emisor presentado anteriormente. Sin embargo, el circuito receptor construido con este dispositivo presentó un grave inconveniente, que fue una elevada deriva de voltaje de salida con respecto al tiempo. Luego de consultar este problema con el fabricante, se descartó este receptor óptico ya que esta diseñado para trabajar acoplado en corriente alterna a frecuencias elevadas, y no en corriente directa: por tal motivo se buscó un dispositivo que pudiese operar en el rango de intensidad y longitud de onda proporcionadas por el LED emisor. Las posibilidades eran escoger un fotodiodo o un fototransistor. El primero posee una respuesta dinámica muy rápida pero su sensibilidad es muy baja respecto a un fototransistor. En la siguiente figura se muestra la curva de respuesta en función de la longitud de onda, donde se puede observar que a 840 nm la sensibilidad decrece sólo un 5% respecto a la sensibilidad máxima.

En la siguiente figura se muestra el circuito esquemático del receptor óptico:


Con el circuito de polarización empleado y en estado de reposo, es decir; cuando no esta recibiendo señal óptica, el fototransistor proporciona una salida de tensión colector-emisor de 50 mV en promedio. Dado que la hoja de datos suministradas por el fabricante no proporciona información acerca de la sensibilidad del dispositivo en funcion de la potencia optica, se procedio a medir la misma. Utilizando la fuente optica desarrollada, se midió el rango de variación de tension colector-emisor a la salida de los sensores para el intervalo de temperatura de trabajo. Esto resultó, en promedio, entre 300 mV y 500 mV. Esto dependio del sensor empleado, ya que no todos proveen el mismo nivel de atenuación en la señal optica a causa depequeñas diferencias propias del proceso de fabricación. Ademas, existen diferencias en el grado de acoplamiento optico entre la fibra optica y el fototransistor. Se utilizó por lo tanto un circuito amplificador para la salida del receptor, con control de nivel de corriente DC (offset). El circuito, en una primera etapa, proporciona una ganancia de 10 a la señal proveniente del fototransistor. La segunda etapa posee ganancia unitaria y corrige el nivel de voltaje de offset, mediante el ajuste del valor de resistencia de un potenciometro multivueltas POT3. esto ultimo para lograr que la salida del circuito sea de 0V cuando la entrada luminosa sea de 0 µW. Por lo tanto, con los valores de ganancia del circuito, el circuito del termómetro tiene una sensibilidad (promedio) de 50 mV/°C para el intervalo de temperaturas de interés (desde 20 °C a 40 °C).
La salida de este circuito se envía a la etapa siguiente a través de un cable blindado para evitar las interferencias electromagnéticas. Este cable tiene una longitud aproximada de 5 m, por lo que representa un inconveniente en cuanto a la carga capacitiva que ofrece al amplificador operacional de salida. La capacidad del cable con respecto a tierra fue medida mediante un puente de impedancias y resulto ser de 250 nF a 100 KHz, lo cual provoca que la salida oscile cuando se conecta a traves del mismo. Se implementó por lo tanto una configuración de circuito recomendada con el fin de no degradar la respuesta en frecuencia del mismo y evitar que oscile cuando se conecta una carga capacitiva.


Sistema de Calibración
La respuesta individual de los sensores de temperatura puede verse afectada por una serie de factores. Entre ellos se puede encontrar diferencias en el proceso de fabricación, diferente acoplamiento del emisor y/o receptor conel conector de fibra optica, variaciones en las caracteristicas de los componentes optoelectronicos, ente otros. Estos factores afectan la respuesta de cada sensor, de manera que no se tiene una curva de respuesta unica. Por otra parte, el sensor posee una respuesta que es intrínsecamente no lineal, que se aproxima a la inversa de una funcion raiz cuadrada. Cuando se dispone de un sistema de captura de datos de los sensores de temperatura, asociados con un procesador digital, es comun utilizar metodods de algoritmos matematicos. Dado que en este caso, el sistema de adquisición de datos esta desarrollada en una plataforma digital, esto brinda la posibilidad de utilizar tablas de calibración para conocer el valor de temperatura al que esta sometido cada sensor.

De esta manera, para obtener el valor de temperatura, se registra el valor de voltaje entregado por el circuito de acondicionamiento y este se compara con una tabla previamente obtenida de voltaje vs. Temperatura. Esta tabla que se obtiene para cada uno de los sensores gracias a un sistema que realiza la curva de calibración en forma automatica. Este sistema de calibración consiste básicamente en un control de temperatura digital basado en un microprocesador de PC. En la siguiente figura se presenta el diagrama de bloques de dicho sistema.

Etapa Digital
La etapa digital en un programa de calibración donde las tablas de calibración de cada sensor se elaboran de manera automática luego de ser indicados los parámetros de entrada (temperatura máxima y números de puntos que se quieren tomar en la curva de calibración). Tambien se debe especificar el sensor a calibrar, para que el programa tome las lecturas de voltaje de entrada del canal correspondiente de la tarjeta de adquisición del sistema de termometria. Una vez especificados estos tres datos, se inicia la ejecución del mismo. El algoritmo del programa se presenta en el siguiente diagrama de flujo.

Se empleo una tarjeta de adquisición analógica – digital (PCI 1200 A/I, Nacional Instruments), para la etapa de conversión y procesamiento de la data de señales analógicas a señales digitales. El puerto digital A de la tarjeta se utiliza para las señales de salida, mientras que el puerto B se utiliza para las señales de entrada.

APLICACIONES EN LA INDUSTRIA

Los sensores digitales de temperatura tienen infinidad de aplicaciones en la industria abarcando diferentes ramas de la misma como por ejemplo los hidrocarburos, alimentaciòn y salud entre otras; una aplicación importantes para estos sensores es el control de la temperatura corporal, bien sea en personas adultas o niños a través de Incubadoras; se habla de Incubadoras ya que es importante proporcionar un microambiente favorable para los neonatos que necesitan cuidados especiales, esto se logra utilizando cuatro sensores para la instrumentación, de los cuales, tres son para determinar la temperatura en el interior del capacete o protector y el cuarto para determinar la temperatura cutánea del neonato; en la siguiente figura se muestra el diseño y posición de los sensores de temperatura.

Por otro lado, los sensores digitales de temperatura también son utilizados para el control digital de sistemas de acondicionamiento de aire a través de controladores basados en microprocesadores que responden a un desarrollo de avanzada tecnología.

Tras investigaciones se encontró el diseño de un medidor de nivel de agua ultrasónico de 40 kHz, contenido en una unidad remota para registrar el tirante del agua en estanques acuícolas, con una resolución de ± 0.003 m y una variación del nivel de hasta 10 m. La velocidad del sonido está compensada con la medición de la temperatura del medio de propagación mediante un sensor digital que utiliza el protocolo de comunicación 1–Wire.


Los medidores de temperatura proporcionan información sobre la marcha es decir, en tiempo real sobre de la variabilidad espacial; a su vez, las mediciones de temperatura pueden informar en el momento, de forma cualitativa, acerca del tiempo de residencia del agua en un terreno acondicionado con los sensores necesarios.


La combinación “pH + temperatura + alcalinidad” permite calcular la especiación química de un agua, información fundamental en estudios de contaminación y descontaminación por metales.

PROBLEMA PRÁCTICO INDUSTRIAL

Uno de los problemas fundamentales de interés común de la Física del Láser y de la Espectroscopía Óptica es la búsqueda de nuevas sustancias en las cuales sea posible obtener el efecto láser con el propósito de crear nuevos medios activos. Los compuestos orgánicos (colorantes) debido a sus propiedades ópticas-espectrales y fotoestabilidad ha permitido que algunos de ellos hayan sido con éxito utilizados como medios activos de láseres sintonizables. De otro lado, La Tecnología Láser se ocupa de la implementación de láseres y sistemas basados en ellos con el propósito de ofrecer haces luminosos con características especificas en las diversas aplicaciones y/o investigaciones en ciencias básicas.


Un problema específico que se aborda en la Tecnología y Física del Láser relacionado con el desarrollo de láseres sintonizables versátiles basados en colorantes, es el deterioro que sufre el medio activo a causa de las foto-reacciones químicas inducidas por el bombeo óptico. Este problema en principio se puede enfrentar implementando un sistema de flujo estacionario de una solución de colorante y/o cambiando periódicamente la solución del colorante utilizada como sustancia de trabajo del láser. Sin embargo, surge la dificultad de tomar la decisión de cuando cambiar la solución de colorante usada y las consecuentes implicaciones de carácter económico que esto trae como resultado.

Con el propósito de ofrecer una respuesta alternativa al problema planteado, se detectó la necesidad de desarrollar un sistema que permitiera monitorear la temperatura y el ph de la solución de colorante utilizada como medio activo den un láser sintonizable. Como una primera fase a la solución del problema (Deterioro del medio activo) se ha implementado un sistema de circulación de una solución de colorante y un Sistema de Adquisición de Datos que monitorea la temperatura de dicha solución, con intenciones de ver los cambios térmicos ocasionados por el bombeo óptico sobre la sustancia de trabajo. De esta manera se tendrá información de los cambios de temperatura ocasionados por el bombeo óptico sobre la sustancia de trabajo. El Sistema de Adquisición de Datos de Temperatura implementado se muestra en el siguiente diagrama de bloques:



Fuente de Alimentación (Etapa 1): Fuente de tensión regulada, que entrega en sus terminales de salida, una tensión constante de 5 v, sin importar cambios bruscos en la línea de alimentación (110 v) o en la carga.
Sensor de Temperatura (Etapa 2): A través del Sensor de Temperatura, será posible establecer una cierta proporcionalidad entre la temperatura a la cual esta sometida el flujo de rantes y una magnitud eléctrica, en este caso el voltaje, permitiendo relacionar directamente variaciones de temperatura con variaciones correspondientes de voltaje; por lo tanto esta etapa permitirá informar al Sistema de Adquisición de Datos, acerca de cualquier cambio en las características de la temperatura en el flujo de colorantes.



Se construyó e implementó un Sistema de adquisición de datos que permite monitorear la temperaturade un sistema de circulación de una solución de colorante,. El sistema está constituido por un sensor de temperatura, un conversor análogo digital y una interface de usuario en Lab-VIEW.




Se ha logrado un primer avance en el proyecto “Diseño y construcción de un láser sintonizable” con miras a desarrollar un prototipo de láser tecnológico que permitirá aplicaciones de interés del Grupo de Espectroscopia y Láser de la universidad Popular del Cesar. El sistema de adquisición de datos (constituido por un sensor de temperatura, un conversor análogo digital y una interface de usuario en LabVIEW.


jueves, 24 de mayo de 2007

Sendores Electroquímicos

Introducción

Desde hace varios años la tecnología de los sensores ha tomado gran importancia en la química analítica y en algunos otros campos de la investigación y desarrollo. Los sistemas sensores suelen clasificarse como físicos, biológicos y químicos, y entre estas categorías pueden estar los sensores electroquímicos.
Una definición clásica de sensor químico es la de “pequeño dispositivo que como resultado de una interacción química entre el analito gaseoso y el sensor transforma información química o bioquímica de tipo cuali o cuantitativo en una señal medible y útil analíticamente”. Cuando la determinación se hace a través de un electrolito líquido se denomina al dispositivo sensor electroquímico. Cuando se trata de la determinación de una propiedad física, y no de un analito, generalmente se le llama sensor físico.
Los sensores electroquímicos han sido clasificados como potenciométricos (monitoreo del voltaje), amperométricos (monitoreo de la corriente) y conductimétricos (monitoreo de la conductividad o resistencia). Los potenciométricos han demostrado su gran aplicabilidad desde los años 30, debido a su simplicidad y bajo costo. Un gran exponente de la sencillez y utilidad de este tipo de electrodos es el electrodo de pH. Una completa revisión de los tipos de sensores electroquímicos puede verse en la publicación de Stradiotto y colaboradores

Las ventajas del uso y desarrollo de este tipo de tecnología saltan a la vista, ya que en un futuro estos nuevos sensores electroquímicos responderán única y exclusivamente a la variable que se desee sensar. Al lograr su miniaturización y su empaquetamiento en un circuito integrado logramos que el dispositivo sea barato y a medida que se mejoren sus tecnologías de fabricación las perspectivas aumentan.

Principio de Funcionamiento de los sensores electroquímicos

El monitoreo clínico e industrial de fluidos o tejidos, se hace a partir de una muestra que es llevada a un laboratorio. Los resultados son producidos con un claro retardo en el tiempo. La instrumentación basada en sensores lleva los instrumentos a la muestra, permitiendo el monitoreo de variables químicas on-line, en tiempo real o casi real. La principal ventaja de los instrumentos basados en sensores es que pueden ser aplicados a mediciones in situ. Los instrumentos que usan sensores son más sensibles y más económicos que los procedimientos centralizados. La información es producida rápida y continuamente, debido a que el instrumento es colocado en o cerca de la muestra. Estas ventajas se incrementan usando sensores fabricados con técnicas y materiales microelectrónicos. Los sensores microelectrónicos son mas baratos, mas pequeños, robustos mecánicamente y fáciles de integrar con otros sistemas electrónicos. Por estas razones los sensores basados en semiconductores son objeto de un gran número de investigaciones y prometen ser extremadamente útiles para mediciones in vivo. Hay tres áreas principales de investigación en estos sistemas: Detección de concentraciones, discriminación química y mejoramiento del tiempo de respuesta. Muchos sensores químicos microelectrónicos son capaces de detectar concentraciones razonablemente bien cuando estas tienen un nivel mediano o alto. Dos de las tecnologías más comunes en la realización de sensores químicos son sensores en base a películas delgadas, y el CHEMFET. Generalmente las tecnologías de los sensores microelectrónicos están basadas simplemente en cambios en la conductividad en un material en respuesta a químicos en el entorno. El mas simple de estos sensores basados en conductividad es el sensor de película delgada, el cual es simplemente una película de un material sensitivo químicamente cuya conductividad cambia en respuesta al entorno químico. Los transistores de efecto de campo químicamente sensitivos, CHEMFET (Chemically Sensitive Field Effect Transistor) tienen sus antecedentes desde el año 1970 cuando Bergveld propuso el concepto de ISFET (Ion Sensitive Fiel Effect Transistor), los cuales son una subdivisión de los CHEMFET. Pese a contar con 30 años de historia las aplicaciones prácticas han surgido muy lentamente.


El principio de funcionamiento de los diferentes tipos de CHEMFET es básicamente el mismo; se tiene un nivel inicial de Fermi, el cual depende del material usado en su sensor y su dopamiento; una absorción de sustancias químicas, la cual provoca una transferencia parcial de cargas y esto a su vez provoca un cambio en el nivel de Fermi.

El ISFET es simplemente un MOSFET sin compuerta, la compuerta es reemplazada por una solución electrolítica la cual es contactada por un electrodo de referencia. En el ISFET la corriente fluye de la fuente al dreno por medio de un canal, tal como en el MOSFET la resistencia del canal depende del campo eléctrico perpendicular a la dirección de la corriente.

El ISFET puede ser modificado al añadirle una membrana de sensado y entonces se le conoce como MEMFET. Los iones penetran esta membrana y un potencial es generado, el cual es detectado por la estructura del FET.

El SURFET es un ISFET al que se le añade una capa bloqueadora de iones, la cual cubre las partes sensitivas al pH del aislante de la compuerta.

El ISFET no ha sido explotado de la forma que podría debido a la vulnerabilidad de la membrana protectora la contaminación ambiental; esta contaminación ambiental daña; el funcionamiento del transistor. Además esta membrana no provee de una protección contra la luz del entorno; es decir el ISFET puede ser sensible a "ruido óptico".

El CHEMFET usa una capa de oxido estándar como aislante y un metal químicamente sensitivo, como el paladio, como compuerta. Añadir esta compuerta minimiza la sensitividad a la luz. Además la capa de oxido es menos susceptible a sufrir cambios por interaccionar con el ambiente. Los CHEMFETs presentan varias ventajas como son baja impedancia de salida, rápida respuesta, accesibilidad a la producción en serie y la fácil integración en arreglos de sensores.

Existen sensores que han sido derivados del CHEMFET y el ISFET como el SAFET (Surface Accesible FET) o el SGFET (Suspended Gate FET), estos tienen mayor selectividad y sensitividad; sin embargo tienen un tiempo de vida muy corto, debido a que su capa de oxido esta total o parcialmente expuesta.

Ejemplos novedosos del uso de los sensores microelectrónicos son las aplicaciones in vivo de los ISFET para medir pH en el tejido muscular del corazón. Las variaciones del pH pueden representar muchos desordenes. Otro ión de gran importancia fisiológica y patológica es el potasio; alteraciones en las concentraciones de potasio pueden afectar el ritmo al corazón. La mayoría de los sensores son sensitivos a una gran variedad de químicos. Hacer una discriminación entre estos químicos es muy difícil si no es que imposible en un solo sensor. Esta es una de las causas que junto con la selectividad, confiabilidad y reproducibilidad han provocado que las investigaciones hechas en estas tecnologías estén todavía separadas de la producción.

La combinación de sensores en forma de arreglos tiene muchas ventajas sobre los sensores individuales. Un arreglo heterogéneo que contenga diferentes tipos de sensores mejora la selectividad, mientras que un arreglo homogéneo que contiene el mismo tipo de sensores operando en condiciones idénticas mejora la confiabilidad de los datos.

Los arreglos de sensores químicos junto con técnicas de procesamiento de señales apropiadas pueden resolver los problemas de discriminación. El procesamiento de señales puede ser basado en hardware o software. La llegada y propagación de las computadoras ha impulsado de manera sistemática la investigación y el desarrollo del campo de los sensores químicos, debido a la innovación que representa el seguimiento continuo mediante computadora de los parámetros químicos de un proceso complejo, lo cual abre la posibilidad de intervenir en el control del mismo. Las operaciones básicas de análisis con sensores requieren de: computadora, interfaz, y software especial. El sensor interactúa con la muestra y transforma selectivamente determinada información química, en una señal susceptible de ser medida. La interfaz es un dispositivo que se encarga de transformar la señal que codifica la información química procedente de la muestra, en una señal analítica útil. El software nos permite controlar la interfaz y visualizar los resultados de la medición en un gráfico o en una tabla de datos.

En los procesos de diseño actuales se busca tener modelos de los dispositivos, de tal manera que una simulación del sistema completo pueda ser hecha antes de implementar este. Muchos esfuerzos han sido dirigidos a modelar los sensores químicos basados en semiconductores. Estos modelados se han hecho en diversas herramientas CAD como MATLAB, PSPICE y OPTIMA.

Los sensores químicos son ideales para ser utilizados en mediciones directas, sin un tratamiento preliminar de la muestra. En los procesos industriales eliminan la necesidad de tomar muestras in situ o en organismo vivos. También son apropiados para mediciones en laboratorios móviles, ambulancias, visitas médicas, etc. A causa de su relativamente baja susceptibilidad a la degradación ambiental el CHEMFET parece ser el más promisorio de los sensores químicos basados en FET a pesar de tener menor selectividad en comparación con otros sensores de este tipo. El CHEMFET consiste en un MOSFET cuya compuerta ha sido sustituida por un metal químicamente sensitivo, el cual interactúa con los químicos del ambiente permitiendo así el sensado de dichos químicos.

Tipos de sensores electroquímicos

1.- Sensor electroquímico de compuestos fenólicos
La determinación química de compuestos fenólicos se realiza normalmente por métodos cromatográficos los cuales son costosos y altamente especializados. Por estas y otras razones siempre ha sido de gran interés el desarrollo de un método electroquímico que permita el análisis de fenoles. El principal inconveniente para implementar este método es la formación de una película altamente pasivante, desafortunadamente muy porosa, sobre el electrodo de trabajo que bloquea la determinación del compuesto. De acuerdo con estas condiciones se ha planteado una alternativa que evite la oxidación del compuesto fenólico y mida cualquier cambio en la celda electroquímica. La técnica que permite este camino es la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). La tabla 1 muestra los valores de resistencia eléctrica calculados a partir del circuito establecido para la determinación de un compuesto fenólico, Bisfenol A (BPA), por EIS. Estos valores fueron obtenidos para diferentes concentraciones de BPA en solución de acetonitrilo usando como electrodo de trabajo un electrodo de platino. Estos datos se ajustan a una recta con un R=0.991.

Aunque esta proporcionalidad entre la resistencia eléctrica y la concentración del BPA no implica una selectividad a dicha molécula, estos primeros resultados son bastante interesantes al mostrar un límite inferior de sensibilidad bastante bueno y que se ajusta a las concentraciones normalmente investigadas en este analito. Además, se demuestra que teniendo en cuenta el problema de pasivación con los fenoles, determinaciones en las que no ocurren procesos redox pueden ser una buena alternativa analítica. Actualmente nos encontramos optimizando la selectividad de este sensor al BPA.

2.- Sensores físicos basados en polímero conductor
Cuando se habla de polímeros conductores, generalmente se hace referencia a polímeros conductores conjugados. Estos materiales fueron descubiertos relativamente hace poco tiempo (1977), lo cual representó el premio nobel de química a Shirakawa, MacDiarmid y Heeger en el 2000. Además de la conductividad eléctrica modulada, estos polímeros presentan una gran variedad de propiedades que los hacen muy interesantes en múltiples aplicaciones tecnológicas. Entre estas aplicaciones está el desarrollo de sensores electroquímicos basados en polímero conductor. En este caso, la señal eléctrica medida suele ser un flujo de corriente, un cambio en la capacitancia o en la resistencia del material.

La versatilidad de estos materiales está basada en la influencia de las variables de síntesis y en la capacidad de controlar dichas influencias al detalle. Los polímeros conductores resultan de la oxidación del monómero o monómero sustituido. Esta oxidación se lleva a cabo por electropolimerización sobre un sustrato conductor (electrodo de trabajo) al aplicar un potencial externo: síntesis electroquímica; o por polimerización química en solución por medio de un oxidante químico. La síntesis electroquímica es la más utilizada en el desarrollo de sensores ya que ésta permite un mayor control de las variables y la obtención del polímero en forma de película sobre el electrodo de trabajo.

La síntesis de polímeros conductores se realiza en presencia de un contraión que permite balancear las cargas del polímero durante la oxidación de la cadena, este contraión se conoce comúnmente como dopante. La naturaleza y la concentración del dopante son de una de las variables más influyentes en las características finales del polímero conductor, especialmente en el desarrollo de sensores. La Figura 3 muestra la velocidad de movimiento durante un recorrido de 90 grados de una bicapa: polipirrol dopado con iones ClO4- / cinta adhesiva, en solución acuosa de diferentes concentraciones de LiClO4. El movimiento que presenta esta bicapa está directamente relacionado con otra de las propiedades que presentan estos polímeros: el cambio de volumen de las cadenas poliméricas controlado eléctricamente. En este caso es de interés resaltar la relación directa entre la velocidad de movimiento y la concentración del dopante. Esta relación nos permite afirmar que este dispositivo bicapa, basado en un polímero conductor, es además de un actuador (cambio de volumen) un sensor de la concentración de electrolito.

Este dispositivo bicapa basado en polipirrol ha demostrado capacidad de monitorear otras variables como la temperatura y la presencia de un obstáculo a su recorrido. En el primer caso se presenta una variación en la energía eléctrica consumida proporcional a la temperatura del medio, y en el segundo caso una variación en el potencial eléctrico proporcional a la magnitud del obstáculo encontrado (sensibilidad táctil). La Figura 4 muestra la variación del potencial eléctrico de una bicapa cuando se encuentra con un obstáculo en su recorrido, la variación se presenta respecto a la masa del obstáculo. Este movimiento es en solución acuosa de LiClO4.


Construcción de los sensores electroquímicos

No todos los sensores electroquímicos tienen las mismas características de comportamiento y fiabilidad. Hay muchas formas de construir sensores electroquímicos y hay muchos fabricantes a su vez.

Se disponen de dos electrodos, tal como lo indica la Figura 5. Uno de los dos electrodos incorpora la membrana que es, al menos en principio, selectiva sólo para el ión de interés y tiene en su interior una disolución con una concentración conocida de la especie iónica “y”. El otro electrodo es de referencia y a través de su membrana pueden difundir libremente todas las especies presentes en la muestra donde se va a medir. Obviamente hay varias interfaces, pero con la disposición descrita sólo una de ellas generará un potencial variable: la membrana de ión selectivo.

Sensores con mecanismo redox para detección de gas.

La construcción de un simple sensor electroquímico consiste en un electrodo sensor (cátodo) y un electrodo contador (ánodo) separados por una delgada capa de electrolito. El gas que se pone en contacto con el sensor reacciona en la superficie del electrodo sensor y provoca un mecanismo de oxidación o reducción. Los materiales del electrodo específicamente diseñados para el gas de inertes catalizan esa reacción. Generan una corriente eléctrica proporcional a la concentración del gas.


Sistema de Acondicionamiento

El acondicionamiento de los sensores generadores es necesario principalmente debido a que:
- Las señales son muy débiles: Ello precisa amplificadores de alta ganancia y el análisis de la tensión de desequilibrio (offset), corrientes de polarización y de desequilibrio, las derivas y ruido.
- Las frecuencias son muy bajas, esto limita la utilización de amplificadores en alterna porque los condensadores requeridos son muy grandes.
- La señal procede de una fuente de alta impedancia: Las impedancias parásitas son relativamente significativas y llevan a utilizar amplificadores con características o configuraciones especiales.

Amplificadores con bajas derivas
Desequilibrios en un AO
a) Tensión de desequilibrio y corrientes de polarización en un AO.
b) Corrientes de entrada en un AO con compensación de las corrientes de polarización.

- En un AO ideal la tensión de salida es nula cuando lo son ambas tensiones de entrada y las corrientes de entrada son también nulas. Esto no se cumple en un AO real debido al desapareamiento de los transistores de entrada
- La corriente de desequilibrio (offset) en un AO es la diferencia de corrientes en la entrada necesarias para tener una tensión nula a la salida
- La tensión de desequilibrio en un AO es la necesaria aplicar a la entrada para tener una tensión de salida nula
- En un AO inversor como en la figura a, la tensión de salida es:En este caso, R3 disminuye el error debido a la corriente de desequilibrio (compensación de offset). No se aplica a AO con compensación interna de la polarización, figura b, porque el desequilibrio de corrientes es muy alto y R3 añadiría ruido térmico.

- Además,

El error será grande si se desea alta impedancia de entrada y alta ganancia (R1 y R2/R1 grandes) y al reducir todas las resistencias en un mismo factor, el error debido a Vos no cambia, pero el Ios si. Interesa utilizar resistencias de bajo valor de ser posible

Desequilibrios y derivas

Las derivas térmicas de los AO no son constantes con la temperatura y se especifican por:
a) Según Valores Extremos:

b) Método de la Mariposa:
c) Valor Promedio:
Donde TM= 25ºC (temperatura ambiente). La tensión de desequilibrio y las corrientes de polarización y de desequilibrio cambian con el tiempo.

Anulación y compensación

Algunos AO tienen un terminal interno de ajuste a la tensión inicial de desequilibrio pero esto afecta las corrientes de polarización y su desequilibrio, y la deriva térmica de la tensión de desequilibrio. Una opción es el ajuste externo para lograr la anulación de la tensión de desequilibrio y compensación de polarización:

a) Amplificador Inversor: Hay que elegir

b) Amplificador No Inversor: Se supone R3 no ajustable y

c) Amplificador Seguidor (Buffer): Se utiliza una potenciómetro con alimentación simétrica y toma central puesta a masa para reducir la sensibilidad a los cambios de temperatura y a la tensión de alimentación.



AO con auto corrección de la deriva

- Método empleado en los AO para obtener un deriva muy baja, alto PSRR y CMRR en lazo abierto y que son conocidos como amplificadores chopper o troceadotes.
- Consiste en medir periódicamente la tensión de desequilibrio en una fase de autocero (a) para descontarla a la tensión de interés en la fase de muestreo (b) mediante uso apropiado de conmutadores S1 y S2.
- La frecuencia de muestreo debe ser mayor al doble de la frecuencia máxima de la señal de entrada.
- Hay que tener precaución para reducir otros efectos: Termoeléctricos, Potencia y Gradientes de temperatura.

AO con auto corrección de la deriva usando componentes discretos - Compensación ftem

Ejemplo de circuito para corrección automática de la deriva de un amplificador basado en componentes discretos


Ejemplo de compensación de fuerzas termoelectromotrices en circuitos de bajas derivas mediante elementos redundante (en este caso la resistencia R)

1= Unión: Terminal de Resistencia – Soldadura – Pista de Cobre.
2= Unión: terminal del CI – Soldadura – Pista de Cobre.

Compuestos

- El diseño de amplificadores compuestos es una opción económica que permite combinar características complementarias de AO para obtener un amplificador de excelentes prestaciones.
- En el circuito mostrado, AO1 tiene alta velocidad de salida con alta deriva y AO2, bajas derivas con ancho de banda pequeño, tenemos:

Donde A1 y A2 son las ganancias de lazo abierto y Vos1 y Vos2 las tensiones de desequilibrio de cada AO. Dado que A1 y A2 son muy grandes a baja frecuencia, obtenemos finalmente:

La tensión equivalente de desequilibrio es la de AO2, que es muy baja. También ocurre lo mismo con las derivas.

Amplificador compuesto de alta velocidad (gracias a AO1) y bajas derivas (gracias a AO2)

Amplificadores de instrumentación

- La tensión de desequilibrio a la salida de un AI de tres AO es:

Donde Voi son las tensiones de desequilibrio respectivas de cada AO. La tensión de desequilibrio refererida a la entrada es prácticamente independiente de la ganancia. Sin embargo, hay que analizar las derivas particularmente.


- Ajuste del nivel de cero de la etapa de salida de un AI sin afectar su CMRR. Las tensiones de ± 15 V a partir de las que se derivan la de corrección deben ser muy estables.
Amplificadores Electrométricos

Se denomina amplificador electrométrico o electrómetro, a todo sistema de medida que posea una resistencia de entrada elevada, superior a 1 TΩ y una corriente de entrada baja, inferior a 1 pA, aproximadamente. Son utilizados para acondicionar señales de sensores con impedancia de salida elevada que requieran un sistema de medida con baja corriente de entrada, por ejemplo, sensores piezoeléctricos.

Los métodos para medir corrientes débiles empleando un amplificador electrométrico son:
a) Midiendo directamente la caída de tensión en una resistencia. Si R es elevada, el tiempo de respuesta es lento y no sirve para sistemas dinámicos.
b) Realizando una conversión corriente-tensión (Amplificador de Transimpedancia). El tiempo de respuesta queda reducido significativamente. Pero si R es mayor a la del sensor, aumenta el ruido. Si A>>1, De Transimpedancia

- Convertidor Corriente – Tensión en banda ancha

Desventaja: Puede hacerse inestable, mayor ruido que el anterior.


Mediante una red T se obvia utilizar resistencias de valor muy elevado, del orden de Tera Ohmios.
Desventaja: Incrementa el ruido y la tensión de desequilibrio en el mismo factor de R.
- Si la fuente de corriente es flotante, se puede utilizar amplificadores de transimpedancia con entrada diferencial
a) Circuito Básico: Si Rb/Ra=k, y los AO son iguales:
b) Utilizando red T se evita R elevados y:
c) Red T mas AO como segunda etapa de a):
Logarítmicos

Circuito de un electrómetro logarítmico. Ce incluye la capacidad del cable de conexión. El amplificador de ganancia 1 puede ser otro AO.
- Son utilizados cuando el sensor genera una corriente con un gran margen dinámico.
- La característica logarítmica viene dada por un diodo o un transistor bipolar conectado como diodo a baja señal con corriente mucho mayor a la de saturación:

Medida de corrientes débiles mediante integración

a) Estructura.
b) Evolución de la tensión de salida. El interruptor se abre en t=0 y se cierra en t=t1.
- Es una alternativa económica a los convertidores corriente-tensión para la medida de corrientes que necesitan resistores de valor elevado y alta precisión.
- La tensión obtenida al integrar i durante el intervalo [0, t1] será
Donde Vos es la tensión de desequilibrio e I1, la corriente de entrada I1 del Ao.
- Vos se puede hacer despreciable al integrar durante un intervalo de tiempo suficientemente largo o se puede estimar midiendo la tensión de salida cuando el interruptor se mantiene cerrado.
- Si I1 es mucho menor que i, se puede despreciar. Si no, se calcula haciendo i=0 durante otra integración t1.
- Aunque la respuesta es lenta, la integración permite reducir toda corriente de interferencia que tenga un período t1 entre n.

Amplificador de carga

Un amplificador de carga es un circuito cuya impedancia de entrada es un condensador, ofreciendo así un valor alto a baja frecuencia. Es un convertidor carga – tensión. (Amplificador de carga ideal)



Aplicación Industrial de los sensores electroquímicos

En la actualidad los sensores electroquimicos son utilizados para la detección y monitorización de ciertos gases tóxicos en ppm, entre los cuales se destacan NH3, CO, CL2, H2, HCL, HCN, H2S, NO, NO2, O2, O3 y SO2. Para algunos de estos gases ofrecen alto grado de selectividad. Las características mas importantes de un sensor electroquímico que se consideran al momento del uso en la industria son:
- Consume poca potencia por lo que es apropiado para unidades portátiles que se alimentan a baterías.
- Válido para aplicaciones PEL. No válido para aplicaciones en gases combustibles.
- Comparado con otros muchos sensores es selectivo para un gas determinado. Sin embargo algunos sensores tienen poca selectividad, dependiendo de que gas detecten.
- Su vida es normalmente de uno a tres años, aunque algunos tienen una especificación de dosis de exposición al gas, como el sensor de ammonia de 5.000 ppm/hora. Si el sensor está expuesto constantemente a 50 ppm, tendrá una vida de 100 horas.

Los sensores electroquímicos son válidos para medir unos 20 gases en los rangos de pocas ppm. Estos incluyen CO, dióxido de nitrógeno, cloruro, sulfito de hidrógeno, dióxido de sulfuro. Su utilización está limitada para aplicaciones continuas y fijas y para control de procesos.

Por ejemplo se puede decir, que el modelo de la serie DM-400IS Detcon, sensores electroquímicos son objeto de interferencia con otros gases. Ésta relación es mostrada en la sección 3.4 como la relación entre la cantidad de gases de interferencia aplicables al sensor, y correspondientes a las lecturas que ocurrirán. Todas las mediciones son en PPM a menos que se
indicare en forma diferente.

También existen los monitores químicos que además de la indicación continua y monitoreo personal, este tipo de instrumentos fue creado para el control e higiene del trabajo, así como durante accidentes que implican la liberación de gases y vapores tóxicos.Algunos modelos poseen una interface y un software apropiado que facilitan el almacenamiento de datos de largos periodos y la representación gráfica de los resultados en la computadora.Los monitores más comunes se usan para detectar el monóxido de carbono y gas sulfhídrico, pero también se dispone de monitores para el cianuro de hidrógeno, amoníaco y cloro.Estos equipos son de alta precisión durante el monitoreo, gracias a compensaciones controladas por un microprocesador interno. También disponen de una alarma sonora y visual que funciona con baterías. Las alarmas se activan cuando la concentración del gas monitoreado en la atmósfera excede el nivel preestablecido.


Problema práctico Industrial


La principal ventaja de los instrumentos basados en sensores es que pueden ser aplicados a mediciones in situ. Los instrumentos que usan sensores son más sensibles y más económicos que los procedimientos centralizados. La información es producida rápida y continuamente, debido a que el instrumento es colocado en o cerca de la muestra. Estas ventajas se incrementan usando sensores fabricados con técnicas y materiales microelectrónicos. Los sensores microelectrónicos son mas baratos, mas pequeños, robustos mecánicamente y fáciles de integrar con otros sistemas electrónicos. Por estas razones los sensores basados en semiconductores son objeto de un gran número de investigaciones y prometen ser extremadamente útiles para mediciones in vivo. La principal ventaja de los instrumentos basados en sensores es que pueden ser aplicados a mediciones in situ.

En la Industria surgen ciertas problemáticas al emplearse los sensores electroquímicos, son generalmente utilizados para monitorizar los gases peligrosos para la calidad del aire, seguridad o control de procesos es una tarea compleja. Al contrario que con otros parámetros, en los que las medidas son directas como voltaje, temperatura, humedad, etc., la medida de gases es mas complicada. Existen cientos de gases diferentes y se encuentran en diferentes proporciones. Cada aplicación tiene unos requerimientos únicos. Los sensores electroquímicos se emplean tambien para el análisis de concentraciones de sustancias en una gran variedad de aplicacione, donde muchas veces han sustituido a los fotómetros de llama; en agricultura se utilizan para el análisis de suelos y fertilizantes, en ciencias biomédicas y laboratorios clínicos para el análisis de sangre y orina, en la industria química y alimentaria y en la medida de contaminación ambiental.

Por ejemplo, unas aplicaciones requieren la detección de un gas específico sin tener en cuenta las lecturas de otros gases de fondo. Otras situaciones pueden requerir las concentraciones de cada gas en una determinada área. La mayor parte de los sensores no son específicos para un determinado gas sino que son sensitivos a un grupo o familia de gases.

Otro ejemplo que se puede citar es el siguiente, para la organización americana Occupational Safety and Helad Administration, el límite de exposición permisible (PEL) para la jornada de trabajo de 8 horas es 50 partes por millón (ppm) para el monóxido de carbono (CO). Sin embargo, el límite bajo de explosión para el CO es de 12,5% en volumen de concentración. Aunque el gas es el mismo, se necesitan sensores diferentes para monitorizar la concentración ya que sus niveles son muy diferentes.