sensores y proyectos
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Parte práctica de tesis de grado. Muestra algunos ejemplos de sensores simples conectados al puerto de juego de los PC antiguos para su uso en Físca o Educación Tecnológica. (Año 2003)TRANSCRIPT
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4.2 ANÁLISIS DE LA FACTIBILIDAD DE ELABORACIÓN PROPIA DE
INSTRUMENTOS O MONTAJES PARA MEDIR LAS VARIABLES
FÍSICAS SELECCIONADAS POR LOS PROFESORES ENCUESTADOS.
En general, la factibilidad depende de la disponibilidad de sensores de bajo
costo en el mercado local, exigencia de herramientas simples, reducida complejidad
técnica y procedimientos realizables paso a paso.
Para medir una variable física con sensores conectados al computador,
debemos “armar” el hardware (cables, conectores, sensores y estructuras) y
confeccionar un software para la presentación de las medias en forma numérica, este
software o programa se elabora utilizando alguno de los lenguajes de programación
como Qbasic, Logo, Pascal, etc. Otra alternativa es utilizar software de distribución
gratuita en internet.
4.2.1 ANÁLISIS PARA LAS VARIABLES FÍSICAS MÁS
SELECCIONADAS.
En el gráfico 11 encontramos: Frecuencia de un sonido, intensidad sonora,
intensidad de la luz, masa, rapidez angular, presión en un líquido, presión sanguínea,
intensidad de Rayos UV, resistencia eléctrica.
FRECUENCIA DE UN SONIDO. Es muy complicado construir el conjunto de
circuitos electrónicos para medir esta variable física. Sin embargo en internet
podemos encontrar software gratuito que utiliza la tarjeta de sonido del computador
para medir la frecuencia de un sonido. Solo es necesario adquirir un micrófono de
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bajo costo para conectar en la tarjeta de sonido. La búsqueda en internet puede ser
con las palabras clave: Use su PC como Frecuencímetro o Free Frequencymeter y
descargar el software.
INTENSIDAD SONORA. Es muy complicado construir el conjunto de circuitos
electrónicos para medir esta variable física. No recomendable como proyecto de
elaboración propia usando el puerto de juegos del computador. Sugerencia: buscar
software gratuito en internet (use su pc como sonómetro o free sonometer).
INTENSIDAD DE LA LUZ. Se mide con fotorresistencias conectadas a un
joystick modificado o conectadas al puerto de juegos usando un conector igual al de
un joystick. Las mediciones entregan valores relativos y es difícil realizar una
calibración por el alto costo de los instrumentos de referencia.
(joystick = palanca para jugar en un computador, puerto de juegos = enchufe donde
se conecta el joystick).
MASA. Puede medirse en forma indirecta relacionando la masa con la variación de
resistencia eléctrica de un sensor asociado a un resorte. No recomendable como
proyecto de elaboración propia, debido a que en el mercado existen artefactos de
bajo costo para medir masa en variados rangos, tales como balanzas para cocina,
pesas para pescadores o balanzas para el baño.
RAPIDEZ ANGULAR. Puede adaptarse un sensor magnético para alarma (relé de
láminas), de modo que un imán se pega al objeto giratorio y cuando pasa cerca del
sensor magnético, se realiza un conteo de cada vuelta. El computador posee un reloj
interno con el cual se puede confeccionar una tabla de datos para calcular la rapidez
angular (vueltas por minuto, etc.). Este método está limitado a bajas velocidades pues
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con una rapidez muy elevada, el computador no tiene tiempo para registrar el paso del
imán cerca del sensor magnético. Sin embargo es suficiente para experiencias simples
en clases.
PRESIÓN EN UN LÍQUIDO. Requiere medición indirecta y bastante trabajo
mecánico muy preciso. Se debe relacionar la variación de resistencia de un sensor a
la variación de posición de un resorte debido a la presión en un líquido.
PRESIÓN SANGUÍNEA. Es una medición compleja, no recomendable como
proyecto de elaboración propia usando el puerto de juegos del computador.
INTENSIDAD DE RAYOS UV. Requiere algunos componentes costosos y
difíciles de obtener. No recomendable como proyecto de elaboración propia usando
el puerto de juegos del computador.
RESISTENCIA ELÉCTRICA. El rango máximo en el puerto de juegos es 100
Kilo ohm y habría que relacionar el número que entrega el computador (0 a 255), con
la resistencia que se está midiendo. Existe en el mercado medidores de bajo costo
(tester o multimedidor) que son mucho más precisos y de mayor rango para medir las
resistencias.
Algunos sensores cambian su resistencia al medir la respectiva variable física,
por lo que la medida de la resistencia eléctrica permite medir indirectamente otras
variables físicas como humedad ambiental, intensidad luminosa, temperatura y otras..
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4.2.2 ANÁLISIS PARA LAS VARIABLES FÍSICAS SELECCIONADAS
CON MENOS FRECUENCIA.
En el Gráfico 11 tenemos: Voltaje, corriente eléctrica, campo magnético,
distancia, rapidez, aceleración, fuerza, peso, temperatura, presión atmosférica,
radioactividad, humedad ambiental, acidez, ritmo respiratorio, capacidad pulmonar,
temperaturas muy altas, dureza color y densidad.
VOLTAJE. Es una medición compleja que es potencialmente peligrosa para el
computador y el usuario. No recomendable como proyecto de elaboración propia
usando el puerto de juegos del computador.
CORRIENTE ELÉCTRICA. Es una medición compleja que es potencialmente
peligrosa para el computador y el usuario. No recomendable como proyecto de
elaboración propia usando el puerto de juegos del computador.
CAMPO MAGNÉTICO. Es una medición compleja que requiere complicados
circuitos electrónicos. No recomendable como proyecto de elaboración propia
usando el puerto de juegos del computador.
DISTANCIA. Es posible medir distancias pequeñas usando potenciómetros
multivueltas con ruedas pegadas en el eje. Distancias grandes no se puede medir a
menos que el computador sea portátil. Conociendo el perímetro de una rueda y
contando las vueltas con un sensor magnético es posible medir distancias. Es posible
pero poco práctico como proyecto de elaboración propia.
RAPIDEZ. Puede adaptarse un sensor magnético para alarma (relé de láminas), de
modo que dos imánes se pegan al objeto en sus extremos (¿auto, carrito?). Se usa un
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riel para evitar desviaciones y los imanes pasan cerca del sensor magnético. El
computador posee un reloj interno con el cual se realiza un cronometraje de cuanto
demoran los imanes en pasar frente al sensor magnético. Para calcular la rapidez se
aplica: rapidez = distancia dividido por el tiempo que se demora en recorrer esa
distancia. En este caso la distancia es la separación de los imanes. Este método está
limitado a bajas velocidades pues con una rapidez muy elevada, el computador no
tiene tiempo para registrar el paso del imán cerca del sensor magnético. Sin embargo
es suficiente para experiencias simples en clases.
ACELERACIÓN, FUERZA Y PESO. Son variables que se pueden medir en forma
indirecta por medio del estiramiento de resortes. El estiramiento puede relacionarse
con un sensor de luz que se aleja y acerca a una ampolleta pequeña (todo esto dentro
de una caja negra que impida que la luz exterior altere la medida). La precisión no es
grande pero funciona para experiencias cualitativas.
TEMPERATURA. Los termistores son los típicos sensores de temperatura.
Requieren de calibración para entregar una lectura en grados celcius. Pueden
conectarse con cables largos (~15 metros) y hasta 4 simultáneos en el puerto de
juegos del computador.
PRESIÓN ATMOSFÉRICA. Es una medición compleja. No recomendable como
proyecto de elaboración propia usando el puerto de juegos del computador
RADIOACTIVIDAD. Requiere algunos componentes costosos y difíciles de
obtener. Es una medición compleja, no recomendable como proyecto de elaboración
propia usando el puerto de juegos del computador
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HUMEDAD AMBIENTAL. El sensor de humedad puede obtenerse de
videograbadores desechados, en talleres de reparación o desarmadurías de equipos
electronicos. La lectura es cualitativa pues es poco frecuente encontrar un higrómetro
de precisión para calibrar las lecturas.
ACIDEZ (Ph). Requiere algunos componentes costosos y difíciles de obtener. Es
una medición compleja. No recomendable como proyecto de elaboración propia
usando el puerto de juegos del computador
RITMO RESPIRATORIO. Es una medida indirecta, usando un potenciómetro
lineal y un resorte. Un cinturón o una banda se hace rodear el pecho de una persona y
la hebilla se modifica agregando un resorte de modo que se estira y encoge según la
respiración. El potenciómetro se mueve según el estiramiento y el computador puede
programarse para mostrar un gráfico con el tiempo transcurrido y el valor de la
lectura del potenciómetro.
CAPACIDAD PULMONAR. Es una medición compleja. No recomendable como
proyecto de elaboración propia usando el puerto de juegos del computador
TEMPERATURAS MUY ALTAS. Requiere circuitos electrónicos complejos. No
recomendable como proyecto de elaboración propia usando el puerto de juegos del
computador.
DUREZA. Requiere gran precision mecánica y/o circuitos elctrónicos complejos. No
recomendable como proyecto de elaboración propia usando el puerto de juegos del
computador.
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COLOR. Tres sensores del luz, uno con filtro de color verde, otro con filtro azul y el
tercero con filtro rojo. Todos los sensores deben medir la luz reflejada en el objeto en
estudio iluminado por una pequeña fuente de luz (ampolleta pequeña o diodo LED
blanco). Además el conjunto debe protegerse de la luz externa. El color es una
combinación de los valores rojo-verde-azul. Anotando los valores para algunas
muestras es posible reconocer colores semejantes.
DENSIDAD. Es una medición compleja, No recomendable como proyecto de
elaboración propia usando el puerto de juegos del computador.
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4.3 PRESENTACIÓN DE SENSORES DE BAJO COSTO DISPONIBLE EN
EL MERCADO LOCAL ( Santiago 2004).
Sensor de Temperatura: termistor NTC de 100 Kilo ohm.
Costo: ~$500.
Foto 1. Termistor.
Sensor de luz: Fotorresistencia (LDR).
Costo: ~$1000.
Foto 2. Fotorresistencia (LDR).
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Sensor magnético para alarma (imán y relé de láminas).
Costo: ~$2000.
Foto 3. Sensor magnético.
Micrófono dinámico para conectar a la tarjeta de sonido del computador (debe tener
un conector de 3,5 mm similar a la de los audífonos para personal stereo).
Costo desde $3000.
Foto 4. Micrófono dinámico.
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Sensor de humedad. Se obtiene sacándolo de videograbadores dados de baja,
obtenidos en desarmadurías de equipos electrónicos o en tiendas de reparación de tv-
video.
Costo $2000 - $4000.
Foto 5. Sensor de humedad ambiental.
Tamaño de los sensores.
Foto 6. Comparación de algunos sensores con una moneda.
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4.4 PROPUESTA DE PROYECTOS PARA LA ELABORACIÓN PROPIA.
En base a las Variables físicas para las que sería de utilidad tener
instrumentos para su medición en la sala de clases, disponibilidad de sensores de
bajo costo en el mercado local, exigencia de herramientas simples, reducida
complejidad técnica y procedimientos realizables paso a paso, se proponen los
siguentes proyectos:
4.4.1 MEDICIÓN DE TEMPERATURA (no superiores a 110°C).
Educación Tecnológica: elaboración de un producto tecnológico.
Física: calibración y uso del producto tecnológico como instrumento de medición.
Biología y Química: uso del producto tecnológico como instrumento de medición.
Descripción: sensor electrónico que se conecta al puerto de juegos del computador.
Función: medición d e la temperatura y mostrar un número comprendido entre 255
(temperatura baja) a 0 (temperatura alta). Este número se debe “leer” utilizando un
lenguaje de programación como GWBASIC, QBASIC u otro lenguaje que tenga
comandos para leer el puerto de juegos del computador.
Para que la temperatura se muestre en grados Celcius debe realizarse una
calibración usando otro termómetro para tener una referencia para construír una tabla
de datos y determinar la ecuación de calibración.
Materiales: 1 conector DB-15 macho.
1 tapa plástica para conector DB-15 macho.
4 metros de cable para parlante (delgado para buena flexibilidad).
1 termistor (NTC) de 100 kilo ohm (puede ser hasta de 50 kilo ohm).
1 resistencia de 100 kilo ohm ¼ de Watt.
15 cm de soldadura de 1mm de diámetro.
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Adhesivo epóxico para cubrir herméticamente al termistor.
1 cautín eléctrico de 25 o 30 watts como máximo.
1 alicate pequeño de punta, cortante o pelacable.
1 atronillador “perillero” de punta cruz o paleta.
Procedimiento: Cortar el cable para parlante a la longitud deseada, 3 o 4 metros es
adecuado para mediciones en la sala de clases.
Foto 7. Cable para parlantes polarizado, se divide en dos conductores uno con aislante
con una raya roja y el otro negro (puede presentarse con otra combinación de colores
según el fabricante). En la foto aparece con los conductores separados en la punta.
Las puntas fueron “peladas” unos 5 mm dejando al descubierto el conductor de cobre
compuesto por varios alambres muy delgados. Las puntas deben estañarse es decir:
fundir soldadura sobre el cable para que toda la punta del cable quede cubierta con
soldadura. Esto facilita los empalmes con otros cables o elementos que a su vez estén
estañados.
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Foto 8. Cable para parlantes con la puntas estañada. Se debe utilizar un cautín
eléctrico de 25 watts para fundir un poco de soldadura en las puntas de los cables
para facilitar las soldaduras con los demás materiales.
Foto 9. Termistor con sus terminales estañados.
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Foto 10. termistor con sus terminales soldados a las puntas estañadas del cable para
parlante.
Foto 11. Conector DB-15 macho desde el lado de soldaduras mostrando las dos
elementos que se sueldan. El temistor de 100 kilo ohm puede alejarse con cables para
medir a distancia de varios metros.
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Foto 12. Conector DB-15 desde el lado de los zócalos para soldar los cables.
Foto 13. Detalle de un zócalo de un conector DB-15 ampliado 60 veces. Aparece
como una canaleta estañada. Esta forma facilita soldar el cable.
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Foto 14. Conector DB-15 macho, cable para parlante y resistencia en su posición.
Foto 15. Sistema completo. El conector DB-15 con su tapa plástica (la resistencia no
queda visible) y el termistor con el adhesivo epóxico cubriendo hasta el cable. El
cable puede ser mas largo.
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Una vez armado el sistema, se usa un lenguaje de programación para
leer el valores del sensor. En GWBASIC o QBASIC el listado es muy breve, con sólo
tres líneas:
10 Rem “programa para lectura de sensor”
20 PRINT stick (0)
30 GOTO 20
Al ejecutar el programa con el comando RUN en GWBASIC o INICIAR en
QBASIC, la pantalla muestra una columna de números que cambian según la
variación de temperatura detectada por el termistor.
La calibración se realiza a partir de una tabla de datos con dos cloumnas: una
indica la lectura del sensor y la otra la temperatura en °C leída en un termómetro de
mercurio que soporte 100°C.
Podemos hacer hervir agua y luego echarla en un recipiente donde se
encuentra el termistor (protegido por el adhesivo epóxico) y un termómetro de
mercurio.
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Anotaremos las lecturas simultáneas para confeccionar una tabla como la
siguiente:
Tabla 7. Lectura del sensor respecto de la lectura del termómetro de mercurio.
Lectura Sensor Temperatura °C10 88.512 80.013 78.017 70.020 66.024 60.033 53.042 47.052 42.557 40.0
A partir de la tabla 7 se confecciona el siguiente gráfico (usando papel
milimetrado o algún software).
Gráfico 11. La relación entre las variables no es lineal (no es una linea recta). Es
necesario convertir el gráfico en uno lineal para calcular una ecuación que nos
permita presentar una fórmula que convierta la lectura del sensor en grados celcius.
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Como en el gráfico 11, la relación entre las variables no es lineal, debemos
convertirla en lineal aplicando logaritmo natural en ambas variables, ahora podemos
confeccionar la siguiente tabla de datos:
Tabla 8. Cálculo de LN (Lectura sensor) y LN (Temperatura)
LecturaSensor
Temperatura °C LN (Lecturasensor)
LN (Temperatura°C)
10 88.5 2.3 4.512 80 2.5 4.413 78 2.6 4.417 70 2.8 4.220 66 3.0 4.224 60 3.2 4.133 53 3.5 4.042 47 3.7 3.952 42.5 4.0 3.757 40 4.0 3.7
A partir de las columas LN (Lectura sensor) y LN (Temperatura) se
costruye el siguiente gráfico:
Gráfico 15. La relación entre LN (Lectura sensor) y LN (Temperatura) es ahora
razonablemente lineal (línea recta).
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Utilizando la Tabla 8, Un profesor de Matemáticas o Ciencias puede ayudar a
determinar la ecuación de la recta para las columnas LN (Lectura sensor) y
LN(Temperatura).
En este caso se encuentra que:
Ecuación de la recta. Y = m X + C
m = - 0,44 (pendiente de la recta).
C = 5,50 (constante)
(estos valores cambian ligeramente si son calculados “a mano” o con un
software).
En nuestro caso no debemos olvidar que el gráfico se realizó con las columnas
LN(Lectura sensor) y LN(Temperatura), por lo que la ecuación de la recta toma la
forma:
LN (Temperatura) = m LN (Lectura Sensor) + C Ecuación (1)
Reemplazando los valores de m y C en la ecuación (1), tenemos:
LN (Temperatura) = - 0,44 LN (Lectura Sensor) + 5,50
LN (Temperatura) = LN (Lectura Sensor) - 0,44 + 5,50
LN (Temperatura) - LN (Lectura Sensor) - 0,44 = 5,50
LN ( (Temperatura) / (Lectura Sensor) - 0,44 ) = 5,50
Aplicando ex a los dos lados de la igualdad obtemenos:
( (Temperatura) / (Lectura Sensor) - 0,44 ) = e5,50
Temperatura = e5,50 (Lectura Sensor) - 0,44
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Finalmente:
Temperatura = e5,50 (Lectura Sensor) - 0,44
Temperatura °C = 244,69 (Lectura Sensor) - 0,44
Ecuación (2).
La ecuación del recuadro es la relación que existe entre las variables
Temperatura °C y Lectura Sensor. Es la caja negra que transforma los números
leídos en el puerto de juegos en un valor de temperatura.
La ecuación debe calcularse para cada pareja termistor - resistencia en
particular. Sobre todo si en el mercado sólo hay materiales con valores parecidos a los
indicados en la lista de materiales.
Falta un paso más; transformar la Ecuación (2) en una línea de programa en
GWBASIC o QBASIC. El profesor de Computación puede colaborar para tener
finalmente:
Temperatura °C = 244,69 (Lectura Sensor) - 0,44
Temp = 244.69 * stick(0) ^-0.44
El programa completo para GWBASIC o QBASIC muestra en la pantalla la
temperatura detectada por el sensor.
10 CLS: SCREEN 1: COLOR 1
20 TEMP = 244.69 * STICK(0) ^-0.44
30 LOCATE 10,10:PRINT “TEMPERATURA = “;TEMP;” “
40 GOTO 20
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4.4.2 Medición de humedad ambiental.
El procedimiento de armado es el mismo que el usado en la medición de
temperatura, la diferencia está en que el sensor es un sensor de humedad de un
videograbador. Este elemento se adquiere como repuesto o como pieza sacada de
videograbadores desechados.
Es difícil tener acceso a un higrómetro para realizar la calibración, pero el
sistema es adecuado para realizar estudios cualitativos de la variación de humedad
ambiental. La sugerencia principal es proteger al sensor de los dedos y golpes y al
mismo tiempo permitir que el aire circule sin grandes problemas. Para esto es ideal un
tubo de lápiz al que se le practican perforaciones en un extremo para esconder allí al
sensor.
Foto 16. Soldando el cable al sensor.
Foto 17. Aislando las soldaduras con silicona para evitar cortocircuitos.
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Foto 18. Protegiendo el sensor con un tubo de lápiz.
Foto 19. Sensor listo para trabajar.
Foto 20. Pantalla del listado para mostrar la variación en el sensor.
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4.4.3 Medición de intensidad de la luz.
El procedimiento de armado es el mismo que el usado en la medición de
temperatura, la diferencia está en que el sensor es una fotorresistencia o LDR. La
calibración requiere instrumentos escasos y costosos por lo que se usa solo como
medidas cualitativas de la variación de la intensidad de luz.
Foto 21. Fotorresistencia protegida en una tapa negra de plumón.
Foto 22. Pantalla del listado en GWBASIC o QBASIC para mostrar la variación en
el sensor.
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ANEXOS.
ANEXO A. Ejemplo de información técnica disponible para uno de los
variados montajes para medir una variable física.
Variable física a medir: Temperatura.
Elementos y herramientas necesarias para elaboración propia del medidor de
temperatura: computador (286 o superior) con enchufe para joystick, lenguaje de
programación GWBASIC o QBASIC, palanca de juegos o joystick, sensor de
temperatura (termistor de 100 kohm), 1 resistencia de 100kohm y 1 otra de 470 ohm,
cable delgado para parlantes, soldadura de 1mm con fundente, silicona
termofundente, cautín electrico de 30 watts, pistola para silicona termofundente y
alicate de punta pequeño (5”).
Información disponible:
Figura 1. Joystick y sus funciones normales para juegos.
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Figura 2. Funciones completas de un conector para joystick en un computador PC.
Los números entre paréntesis indican los pines o patas del
enchufe o conector.
Foto 23. Conector para joystick visto desde el lado para soldar los cables para
conectar sensores.
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ANEXO C. Proyecto Estación Meteorológica como aproximación al uso de
sensores.
Una alternativa interesante es utilizar un taller o academia de ciencias
para promover el uso de sensores para medir variables físicas.
Una estación meteorológica implica la medida de: temperatura
ambiental, humedad del aire, presión atmosférica, Velocidad del viento,
dirección del viento, luminosidad y agua caída. Sin duda son más variables
físicas de las que podemos manejar, pero con relativa facilidad podemos
medir:
• Temperatura ambiental.
• Humedad del aire.
• Luminosidad
• Velocidad del viento.
Es interesante montar los componentes en planchas de madera de la
forma más simplificada posible y cuidando que todo sea transportable para
medir fuera de la sala de clases.
Una de las inquietudes que surge después de poco tiempo de trabajo,
es que para registrar la información hay que moverse hasta los instrumentos,
leerlos, anotar en un regirstro el dato y después de mucho tiempo y muchos
viajes, reunir los datos para graficarlos y estudiarlos...
...pero ¿por qué no usamos un computador para que tome los datos y
los almacene (un computador no se aburre)?
¿por qué no usamos cables largos para que únicamente los sensores
esten afuera de la sala?... esta es una situación propicia para sugerir o
promover proyectos para elaboración propia, conectando sensores a un
computador.
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Montajes o proyectos para medir temperatura, humedad,
luminosidad y velocidad del viento (sin usar computador).
Se ha tratado de reducir el costo y de utilizar todo recurso que sea
ventajoso para la medición de las variables.
Foto 24. Un velocímetro para bicicleta como anemómetro.
El diámetro de la rueda que se le programa al velocímetro, corresponde
al diámetro de la cruz con pelotas de ping pong cortadas a la mitad.
Foto 25. Un sensor magnético detecta al imán y si el eje es de buena
calidad el anemómetro girará hasta con viento suave.
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Foto 26. Un Mutimedidor conectado a dos sensores para medir Temperatura y
humedad.
Cuando el botón cambiador es presionado el multimedidor muestra la
humedad ambiental. Si el botón no es presionado, muestra la temperatura.
En el caso de la temperatura, se lee directamente en °C con precisión hasta
una décima de grado. Para la Humedad ambiental se debe realizar una tabla de
equivalencia de la lectura en el multimedidor con la lectura del higrómetro de
referencia.
Los cables que van a los sensores pueden llegar a tener varios metros (las
últimas pruebas para medir temperatura han sido con 15 metros).
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Foto 27. Sensor de luz conectado al multimedidor.
Con el sensor de luz podemos indicar si es de día o de noche o más
seriamente, relacionarlo con la cantidad de horas de sol o el porcentaje de cielo
cubierto.