Sistema de monitoreo climatico
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Sistemas de Adquisición de Datos Universidad Autónoma de Ciudad Juárez 1
Resumen — En este documento se redacta el procedimiento de
diseño de un sistema de medición de temperatura y humedad. Se
utilizaron los sensores LM35 para medir temperatura, y HCZ-J3
para medir humedad. El sensor de temperatura posee un
comportamiento lineal y una salida en voltaje que es amplificada
y el sensor de humedad es de principio resistivo y comportamiento
no lineal.
Palabras clave— Amplificador operacional, acondicionamiento de
señal, sensor de humedad, divisor de voltaje, sensor de temperatura,
LM35.
I. INTRODUCCIÓN
Actualmente, la implementación de sistemas de medición es
imprescindible, por lo cual es necesario estudiar los sistemas de
medida, conocer sus componentes y como diseñar uno. En este
documento se describirá el diseño de un sistema de monitoreo
de temperatura y humedad relativa en el ambiente.
El objetivo de este trabajo es el diseño de un sistema de
medida de temperatura y humedad, con un rango de 20ºC a
50ºC en temperatura y 20% a 90% de humedad relativa. Se
realiza el análisis correspondiente para implementar las
funciones de los diferentes componentes del sistema,
comenzando por la definición de los parámetros de los sensores
y como lograr los requerimientos especificados a través de la
etapa de acondicionamiento. Adicionalmente se utilizara el
software LabVIEW para adquirir e interpretar la información
proporcionada por el sistema diseñado.
II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
A. Aspectos generales
Un sistema es una combinación de dos o más elementos,
subsistemas y partes necesarias para llevar a cabo una o más
funciones. La función de un sistema de medida es la asignación
empírica de un número a una propiedad o cualidad de un objeto
para describirlo [1]. Los sensores basados en la variación de una
resistencia eléctrica son muy comunes, esto es porque muchas
variaciones físicas afectan la resistencia eléctrica de un
material.
B. Higrómetro Resistivo.
La humedad es la cantidad de vapor de agua presente en un
gas o de agua absorbida en un líquido o un sólido. La masa de
vapor de agua contenida en un volumen dado de gas (g/m3) se
denomina humedad absoluta. Normalmente se mide la
humedad relativa que es la relación entre la presión parcial del
vapor de agua presente y la necesaria para que hubiera
saturación a una temperatura dada. Se expresa en un porcentaje.
La mayoría de los aislantes eléctricos presentan un descenso
de resistividad brusco al aumentar su contenido de humedad
(Fig. 1).
Fig. 1. Respuesta típica de un higrómetro resistivo.
La relación entre la humedad relativa y la resistencia es no
lineal, en algunos casos puede aparentar ser exponencial.
C. Sensor HCZ-J3
Las aplicaciones del componente son la medición de
humedad relativa, control y presentación. Su implementación
puede ser dispuesta en diversos productos finales como
sistemas de aire acondicionado, humidificadores, des-
humificadores, higrómetros, etc.
D. Divisor de voltaje.
En un circuito en serie, el voltaje en los elementos resistivos
se dividirá en función de la magnitud de los niveles de
resistencia.
Existe un método denominado regla del divisor de voltaje
(RDV) que permite la determinación de los niveles de voltaje.
𝑅𝑇 = 𝑅1 + 𝑅2
Sistema de monitoreo climático de un
invernadero.
Cesar Enrique Cortez Pando: [email protected].
Instituto de Ingeniería y Tecnología, UACJ.
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𝐼 =𝐸
𝑅𝑇
Al aplicar la ley de Ohm:
𝑉1 = 𝐼𝑅1 = (𝐸
𝑅𝑇
) 𝑅1 =𝐸 𝑅1
𝑅𝑇
𝑉2 = 𝐼𝑅2 = (𝐸
𝑅𝑇
) 𝑅2 =𝐸 𝑅2
𝑅𝑇
Observe que el formato para 𝑉1 y 𝑉2 es:
𝑉𝑥 =𝑅𝑥 𝐸
𝑅𝑇
Regla del divisor de voltaje.
Fig. 2. Circuito en serie demostrando la RDV
E. LM35.
La serie LM35 son sensores de temperatura de precisión en
circuito integrado, con una salida de voltaje linealmente
proporcional a la temperatura en grados Centígrados. Por lo
tanto el LM35 tiene una ventaja sobre los sensores lineales de
temperatura calibrados en grados Kelvin, ya que el usuario no
necesita sustraer un gran voltaje constante de la salida para
obtener la escala conveniente en grados Centígrados. El LM35
no requiere de ninguna calibración externa para proporcionar
una precisión típica de ±0.25ºC a temperatura ambiente y
±0.75ºC sobre la escala completa de -55ºC a 150ºC de
temperatura. La baja impedancia de salida, salida lineal, y la
precisa calibración del LM35 hacen el diseño de circuitos de
interfaz especialmente sencillo. El dispositivo es capaz de
operar con una sola fuente de potencia o con fuentes positivas
y negativas. El bajo consumo de 60 μA de potencia produce un
muy bajo calentamiento interno menor a 0.1ºC en aire
estacionado.
III. CARACTERIZACIÓN
A. Sensor HCZ-J3.
El HCZ-J3 es un sensor de humedad relativa ambiental
disponible en dos versiones, una sin armazón y otra con
armazón.
La respuesta del sensor (Fig. 3) es no lineal de apariencia casi
exponencial y está representada en la Tabla 1.
Fig. 3. Respuesta del HCZ-J3.
Tabla 1 (Unidad: KΩ).
B. Amplificador operacional.
La serie LM358 consiste de dos amplificadores
operacionales independientes de alta ganancia, internamente
compensados por frecuencia los cuales fueron diseñados
específicamente para operar con una sola fuente de
alimentación sobre un amplio rango de voltajes.
Las áreas de aplicación incluyen amplificadores de
transductores, bloques de ganancia en corriente directa y todos
los circuitos convencionales de op amps los cuales pueden ser
implementados más fácilmente en sistemas de una sola fuente
de alimentación.
Características:
Compensado internamente de frecuencia para
ganancia unitaria.
Gran ganancia de voltaje DC: 100 dB.
Amplio ancho de banda de ganancia unitaria: 1
MHz.
Amplio rango de alimentación:
o Fuente única: 3V a 32V.
o Fuente doble: ±1.5V a ±16V.
Bajo voltaje de offset a la entrada: 2 mV.
C. LM35.
El LM35 es un sensor de temperatura en circuito integrado
con una salida de voltaje lineal que cuenta con las siguientes
características:
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Calibrado directamente en grados centígrados.
Respuesta lineal con factor de escala de 10𝑚𝑉 °𝐶⁄
Precisión asegurada de 0.5ºC (a 25ºC).
Rango de operación de -55ºC a 150ºC.
Bajo costo.
Consumo de corriente menor a 60μA.
Voltaje de operación de 4V a 30V.
No linealidad típica de ±0.25ºC.
Baja impedancia de salida, 0.1Ω para una carga de 1 mA.
Fig. 4. Configuración típica del LM35.
IV. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL.
A. Sensor HCZ-J3.
La señal para un sensor resistivo, como el HCZ-J3, se puede
acondicionar por medio de:
Acondicionamiento Clásico: que puede ser por medio de un
Divisor de Voltaje, o por medio de un Puente de Wheatstone.
Osciladores.
Interfaz directa con Micro controladores.
V. SISTEMA DE MEDIDA PROPUESTO.
Se diseñó un sistema para medir temperatura de 20oC a 50oC
y del 20% al 90% de humedad relativa tomando en cuenta los
siguientes datos y requerimientos:
Vcc=5V.
ADC=14 bits (DAQ 6009).
δ(LM35)= 10 mV/°C.
A. HCZ-J3.
Primeramente se atiende el comportamiento exponencial del
sensor HCZ-J3, para acercar su comportamiento a algo más
lineal con el propósito de disminuir el error. El comportamiento
de la Fig. 3 es atenuado colocando un resistor en paralelo con
el sensor, el valor de este resistor debe estar fuera del rango de
impedancias del sensor, por lo que se decidió que 𝑅𝑝 = 1100𝛺.
Posteriormente se aprecia que la impedancia del sensor también
es afectada por la temperatura por lo que el sensor genera varias
curvas de respuesta, este fenómeno es contrarrestado
promediando los valores y obteniendo una función que describa
la curva generada por estos valores, como se muestra en la
gráfica 1.
Grafica 1. Respuesta del HCZ-J3 con Rp en paralelo y promedio calculado.
El comportamiento de HCZ-J3 ahora puede ser descrito por
una función dependiente únicamente de la humedad
𝑍 = −0.17𝑅𝐻3 + 15.3𝑅𝐻2 − 486.65𝑅𝐻 + 1051.3
Donde RH es el valor absoluto de la humedad relativa (0.2 -
0.9) y Z la impedancia del sensor.
Para calcular la Resistencia del divisor de voltaje que va en
serie con el sensor HCZ-J3 se optó por una resistencia igual a
la resistencia nominal mínima del sensor:
𝑅 = 𝑅0(50℃/90%𝑅𝐻) = 600Ω
Después se calcularon los voltajes máximo y mínimo de
salida del divisor:
𝑉𝑠𝑀𝐴𝑋=
𝑅𝑥
𝑅 + 𝑅𝑥𝑉𝑐𝑐 =
999.6Ω
600Ω + 999.6Ω5𝑉 = 3.124𝑉
𝑉𝑠𝑀𝐼𝑁=
𝑅𝑥
𝑅 + 𝑅𝑥𝑉𝑐𝑐 =
600Ω
600Ω + 600Ω5𝑉 = 2.5𝑉
Para ajustar el nivel del voltaje se desplazó la salida del
divisor de voltaje por un 𝑉𝑜𝑓𝑓 = 2.5𝑉, entonces:
𝑉𝑠𝑀𝐴𝑋= 624𝑚𝑉
𝑉𝑠𝑀𝐼𝑁= 0𝑉
Por último, para ajustar el rango de voltaje de salida del
divisor de voltaje al rango de voltaje que admite la tarjeta DAQ
6009 (5V), se amplificó el voltaje con un Op-Amp (LM358):
𝐺 =5𝑉 − 0𝑉
0.624𝑉 − 0𝑉= 8.01
Para la obtención de la ganancia deseada se propuso el valor
de 𝑅1 = 100𝐾𝛺, teniendo en cuenta
𝑅2 = 𝑅1𝐺 ∴ 𝑅2 = 801𝐾𝛺
Obteniendo así el circuito final de un Amplificador
Operacional Diferenciador:
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Fig. 5. Circuito para Acondicionamiento de Sensor HCZ-J3 con Divisor de
Voltaje.
5V
Vomax=0.624V
DAQ
6009
Vsmax=3.124V
Resta de
Offset y
amplificación
RHmax=90% Divisor de
Voltaje Hum
RHmin=20%
Vsmin=2.5V
Vomin=0
0V
Una nota importante es el conocer las características no
ideales del LM358, como lo son una salida que no ocupa el
rango completo de 0 a 5V y un error existente en la ganancia
calculada.
B. LM35.
Debido a que la salida del sensor ya es de voltaje lo único
que queda es ajustar el rango de salida de 0V a 5V.
𝑉𝑚𝑖𝑛 = 20℃ (10𝑚𝑉
℃) = 200𝑚𝑉
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 50℃ (10𝑚𝑉
℃) = 500𝑚𝑉
Para esto es necesario ajusta un 𝑉𝑜𝑓𝑓 = 0.2𝑉 y ajustar la
ganancia.
𝐺 =5𝑉 − 0𝑉
500𝑚𝑉 − 200𝑚𝑉= 16.67
Por lo que también es preferible utilizar un amplificador
operacional en configuración de amplificador diferencial (Fig.
6).
Para la obtención de la ganancia deseada se propuso el valor
de 𝑅2 = 1𝑀𝛺, teniendo en cuenta
𝑅1 =𝑅2
𝐺 ∴ 𝑅1 = 60𝐾𝛺
Fig. 6. Circuito de acondicionamiento para el sensor LM35.
5V
Vomax=300mV
DAQ
6009
Vsmax=500mV
Resta de
Offset y
amplificación
Tmax=50°C Divisor de
Voltaje Temp
Tmin=20°C
Vsmin=200mV
Vomin=0
0V
C. Interfaz de LabVIEW.
Para el procesamiento y presentación de la información
proveniente del circuito de acondicionamiento de los sensores
se diseñó una interfaz (Fig. 7) que permitiera al usuario
establecer los parámetros de control de temperatura y humedad
que permitirán al programa realizar las acciones de control.
Fig. 7. Código de la interfaz de LabVIEW.
Las operaciones realizadas en los circuitos de
acondicionamiento fueron revertidas en Fig. 8 y Fig. 9 para
lograr obtener temperatura y humedad relativa a partir de los
voltajes adquiridos por la tarjeta de adquisición.
Fig. 8 Obtención de la temperatura del LM35.
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Fig. 9. Obtención de la humedad relativa del HCZ-J3.
La interfaz de Labview (Fig. 10) muestra los controles para
establecer los límites de temperatura y humedad, así como el
estado actual de dichas variables y las acciones de control que
se encuentran en proceso para regresar las variables dentro del
rango establecido. Cuando una de las variables monitoreadas
sale del rango establecido una alerta es desplegada de inmediato
así como la acción de control que esta por ejecutarse, por
ejemplo, supóngase que el rango de temperatura está
programado de 20ºC a 32ºC, si la temperatura llegara a rebasar
los 32ºC el programa desplegaría un mensaje de que la
temperatura rebaso el límite superior y encendería un abanico
para bajar la temperatura por debajo de los 32ºC.
Fig. 10. Interfaz de usuario en LabVIEW.
VI. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y DISCUSIÓN.
Las operaciones de acondicionamiento demostraron tener un
comportamiento previsto por las operaciones de
acondicionamiento arrojando resultados esperados.
El circuito fue implementado sobre una tarjea perforada (Fig.
11) para incrementar su portabilidad, disminuir la probabilidad
de falsos contactos y cortos circuitos, e intentar realizar un
proyecto más portátil. Las resistencias del circuito son de
preciosion de ±1% de error sobre el valor nominal de la
resistencia, el sensor LM35 de temperatura, el sensor HCZ-J3
de humedad y el amplificador operacional LM358.
Fig. 11. Circuito de acondicionamiento implementado.
La planta de prueba fue presentada en 3 recipientes cerrados
que contenían arena seca, arena húmeda y arena mojada, por
separado (Fig. 12). Los sensores fueron introducidos a través de
un agujero en el recipiente y se tomaron lecturas de humedad y
temperatura dentro de cada uno. Fig. 13 y Fig. 14 muestran una
de las mediciones realizadas en la interfaz de LabVIEW y el
sistema invernadero implementado respectivamente.
Fig. 12. Simulación de diferentes condiciones de un invernadero.
Fig. 13. Medición realizada sobre el recipiente con arena húmeda.
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Fig. 14. Hardware completo del sistema.
Con el propósito de estimular al sensor de temperatura y
mostrar que el circuito acondicionador y el procesamiento en
LabVIEW trabajan correctamente se calentó el sensor con una
fuente de calor externa al sistema (Fig. 15) y se tomó una lectura
de temperatura como se muestra en Fig. 16.
Fig. 15. LM35 estimulado por el calor de un cautín.
Fig. 16. Respuesta del LM35 al calor.
El puerto digital fue utilizado como indicador de que
operaciones de control estaban activas, las acciones de control
son el abanico para disminuir la temperatura, calefacción para
aumentar la temperatura y regar para elevar la humedad.
VII. CONCLUSIONES.
Cesar Cortez: El proyecto demostró ser un reto de principio
a fin pero
VIII. REFERENCIAS
[1] Ramón Pallás-Areny and John G. webster, “Sensors and Signal
Conditioning,” Wiley-Interscience.
[2] “Hoja de datos LM35 Series.” http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf [3] Robert L. Boylestad, “Introducción al análisis de circuitos eléctricos”,
Prentice Hall.
[4] “Hoja de datos HCZ-J3” http://www.farnell.com/datasheets/1355480.pdf