Facultad de Ingeniería Eléctrica Informe Sensor de Turbiedad

...

[pic 22] (1)

La cual es la frecuencia de resonancia del filtro pasabanda colocado en el lazo de realimentación del oscilador.

[pic 23]

Figura 4: Filtro Pasabanda del oscilador en puente de Wien

En la figura 4 se muestra el filtro utilizado. La frecuencia de diseño del mismo se tomo de 15 KHz, para esto se utilizaron capacitores comerciales de lenteja de 110 pF y resistencias de 100 KΩ, ver ecuación 1.

La frecuencia teórica utilizando estos elementos, ecuación 1, es de 14.468 KHz, sin embargo, la obtenida realmente fue de 15.2 KHz, lo cual está dentro de la tolerancia de los componentes. Y cumple con no ser múltiplo de 60 Hz, por si alguna armónica de alguna luz del sistema eléctrico se llegara a colar.

La ganancia de este filtro pasabanda a la frecuencia de resonancia es de 1/3, y el mismo no introduce desfase en la señal de salida con respecto a la de entrada.

[pic 24]

Figura 5: Amplificador no inversor con ganancia no lineal.

El amplificador utilizado es del tipo no inversor y tiene un comportamiento no lineal en su ganancia de voltaje. En la figura 5 se muestra el mismo.

El mismo se diseñó para obtener un voltaje (de salida) de 1 Vp, en la pata no inversora del operacional, cuando el oscilador funciona en estado estable. Es decir, cuando la ganancia en lazo cerrado del oscilador es de 1, o en otras palabras cuando la ganancia de voltaje del mismo es de 3. Los valores de las resistencias que se obtuvieron fueron: R1 = 10 KΩ, R2 = 1 KΩ y Rs = 4.2 KΩ.

Etapa Amplificadora

Se necesitaba aumentar el voltaje pico de la señal del oscilador por lo que se implemento un amplificador no inversor con ganancia variable para la realización del mismo. Las dispositivos utilizados fueron un potenciómetro multivuelta de 20 KΩ y una resistencia de 1 KΩ.

Fuente Óptica

La fuente óptica escogida fue un led, ya que como la interferencia que tenemos es incoherente, no necesitamos un láser, el cual además resultaría en un costo muy superior.

Según la norma ISO7027, la longitud de onda de la fuente que se debe utilizar es de 860 nm (infrarrojo). En nuestro caso, y debido a la falta de componentes optoelectrónicos con numeraciones específicas en el mercado local, nos vimos en la necesidad de utilizar un led con una longitud de onda de 950 nm, y con las características que a continuación especificamos.

LED NTE3027

Material Arseniuro de Galio

Vf = 1.5 V

If = 150 mA

Pd = 150 mW

Po = 1 mW

Vr = 5 V

De estos parámetros los más importantes son Vf (voltaje de polarización directa) que es de 1.5 V e If (corriente máxima) que es de 150 mA. La relación potencia óptica, corriente para este fotodiodo es de 0.14 mW/mA.

Circuito Modulador

Una vez que tenemos la señal moduladora, y la fuente óptica, ahora necesitamos modularla.

Para esto se utilizó el circuito mostrado en la figura 6. El cual es un circuito que utiliza un amplificador operacional, que es realimentado en voltaje a través de la unión base emisor de un transistor 2N2222.

En el colector se conecta el led y en el emisor una resistencia para controlar la corriente que pasará a través del led. El circuito se polariza con fuentes de ±12 V.

[pic 25]

Figura 6: Circuito Modulador

Entonces sabiendo que el voltaje de saturación del transistor es 0.4 V (para una corriente de colector de 150 mA), que el Vf = 1.5 V, y que la corriente pico para este led se escogió de 150 mA.

Se calcula que el voltaje de entrada pico debe ser como máximo de 10.1 V, para evitar que el transistor se sature, y que la resistencia de emisor R1 = 147 Ω, para cumplir con la corriente pico para este led.

Con estos valores tendremos circulando por el led una corriente directa de 81 mA, y una alterna de 69 mA pico. Lo que se traduce en una potencia óptica continua de 11 mW y una potencia óptica alterna de 9.66 mW.

Circuito Detector

La onda anterior se manda al medio turbio, y la señal dispersada debe detectarse con un circuito detector. El mismo utiliza como sensor un fotodiodo NTE3033, el cual tiene un pico de sensibilidad a 940 nm.[pic 26]

Figura 7: Circuito Detector

El circuito detector utilizado se muestra en la figura 7. Para la detección en esta etapa se utiliza un fotodiodo polarizado en inversa, una resistencia de 1 KΩ y un potenciómetro multivuelta de 10 KΩ, para convertir la fotocorriente generada en el mismo a voltaje.

Filtro para Eliminar Interferencia de Otras Señales Ópticas

Finalmente pasamos el voltaje generado, a través de un filtro pasabanda como el mostrado en la figura 4. La función del mismo es filtrar posibles fuentes de luz externas, que puedan interferir con la medida del sensor, y quedarnos solo con la dispersión de la señal emitida por nosotros a 15.2 KHz.

Este filtro se colocará en la placa diseñada cercano al diseñado para el oscilador, para que si se ven afectados por variables de influencia externas y se varíe la frecuencia del oscilador, la del filtro varíe de la misma manera y no se vea afectada la medición.

Etapa Amplificadora de Salida

Aquí se utilizará un amplificador de instrumentación AD620 como preamplificador de salida.

Para fijar la ganancia del mismo se utilizará un potenciómetro multivuelta de 20 KΩ, para ajustar la ganancia del mismo según sea necesario.

NOTA: como se observa en la figura 2, tomamos dos señales que serán procesadas, por un lado la señal de salida del oscilador, y la señal reflejada/dispersada. La señal reflejada nos dará los niveles de turbiedad del agua, y la señal moduladora nos servirá para saber si hubo cambios en los niveles de