sistema de caracterització de sensors...

Sistema de Caracterització de Sensors Thick-Film

TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial

AUTOR: Joan Cucurull Rubio DIRECTOR: Eduard Llobet Valero

DATA: Juny / 2005

Sistema de Caracterització de Sensors Thick-Film Índex

Índex

Memòria Descriptiva

pàgina

1. Introducció ...................................................................................... 1

1.1 Els sensors thick-film ......................................................... 1

1.2 Antecedents ........................................................................ 3

1.3 Objectius ............................................................................. 4

1.4 Especificacions ................................................................... 4

2. Hardware ........................................................................................ 4

2.1 Fonaments del funcionament .............................................. 4

2.2 Solució Adoptada ............................................................... 5

2.3 Esquema funcional de l’equip ............................................ 6

2.4 Cambra de sensors .............................................................. 7

2.5 Circuits elèctrics ................................................................. 8

2.5.1 Placa de la cambra de sensors ............................... 8

2.5.2 Placa de condicionament i distribució de senyal... 9

2.6 Tarja d’adquisició de dades ................................................ 12

2.7 Elecció de Labview ............................................................ 13

2.8 Distribució final de l’equip ................................................. 13

2.9 Funcionament de l’equip .................................................... 14

2.9.1 Resposta inicial heaters i posterior variació de la consigna ...............................................................

14

2.9.2 Resposta del heater davant d’una variació del flux d’aire sintètic ................................................

17

2.9.3 Resposta estacionaria d’un sensor ........................ 18

2.9.4 Resposta d’un sensor davant d’una variació del flux d’aire sintètic ................................................

19

3. Software .......................................................................................... 20

3.1 Calibratge inicial ................................................................. 20

3.2 Inicialització del sistema .................................................... 21

3.3 Control de temperatura ....................................................... 22

3.4 Obtenció de les variacions RSENSOR .................................... 23

4. Conclusions ..................................................................................... 23

i


5. Referències bibliogràfiques ............................................................. 24

Memòria de Càlcul

1. Hardware ........................................................................................ 25

1.1 Alimentació heaters ........................................................... 25

1.2 Obtenció de la caiguda de tensió al heater ......................... 25

1.3 Adquisició de la caiguda de tensió a RL ............................. 25

1.4 Circuit restador.................................................................... 26

2. Software .......................................................................................... 26

2.1 Mètode de càlcul per obtenir: Tª heater, Vheater_consigna, iheater. ...................................................................................

26

2.2 Càlcul de la resistència del sensor .................................... 27

2.3 Programa principal ............................................................. 27

Plànols

1. Cambra dels sensors de gas ............................................................ 36

2. Placa de la cambra dels sensors de gas ........................................... 37

3. Placa del circuit de condicionament i distribució de senyal ........... 38

Pressupost

1. Resum del pressupost ..................................................................... 39

Plec de Condicions

40

1. Condicions Generals ....................................................................... 40

1.1 Condicions Legals i Administratives ................................... 40

1.2 Condicions Econòmiques .................................................... 40

1.3 Condicions Facultatives ....................................................... 41

ii


2. Condicions Tècniques ...................................................................... 41

2.1 Condicions Tècniques de Materials i Equips ...................... 41

2.1.1 Especificacions de Components Electrònics .......... 41

2.1.1.1 Conductors ............................................... 41

2.1.1.2 Connectors ............................................... 42

2.1.1.3 Resistors Lineals Fixes ............................ 42

2.1.1.4 Condensadors de plàstic .......................... 42

2.1.1.5 Amplificadors Operacionals .................... 42

2.1.1.6 Plaques de Circuit Imprès i Amplitud de les Pistes ..................................................

42

2.1.2 Protecció contra Sorolls ......................................... 42

2.2 Condicions Tècniques d’Execució ...................................... 43

2.2.1 Fabricació de Plaques de Circuit Imprès ............... 43

2.2.2 Soldadura dels Components .................................. 43

Annexes

1. Manual de l’Usuari .......................................................................... 45

iii

Sistema de Caracterització de Sensors Thick-Film Memòria Descriptiva

Memòria Descriptiva 1. Introducció 1.1 Els Sensors Thick-Film Els sensors emprats en aquest projecte estan basats en òxids metàl·lics semiconductors. Aquests tipus de sensors per a gasos són uns dispositius que actuen com a resistències elèctriques que varien la seva resistència depenent de la concentració dels gasos amb els quals entren en contacte. Els òxids metàl·lics semiconductors són aquells que presenten defectes en la seva estructura cristal·lina, associats a una deficiència d’oxigen a la xarxa. Exemples d’òxids metàl·lics semiconductors són: SnO2,Cu2O, WO3, ZnO, Fe2O3, Ag2O,... Aquests òxids presenten una certa conductivitat deguda als portadors associats als seus defectes en la estructura cristal·lina. Per exemple, en el cas de l’estany o el tungstè, els electrons que no participen en enllaços covalents (donada la manca d’oxigen) fàcilment poden passar a la banda de conducció. La modulació de la resistència elèctrica que presenten aquests òxids té lloc quan els gasos a mesurar entren en contacte amb la seva superfície, s’adsorbeixen, reaccionen químicament amb ella i produeixen una variació en el nombre de portadors de càrrega lliure. Els sensors es fabriquen a doble cara, en una cara està imprès els elèctrodes i la capa activa, i a l’altra una resistència de mesura de temperatura i els heaters.

Figura 1. Sensor Thick-film

Elements del sensor: - Elèctrodes i capa activa: Els elèctrodes disposen d’un disseny interdigitat perquè proporcioni una superfície de contacte amb la capa activa major que uns elèctrodes rectangulars. Una major superfície de contacte representa minimitzar la resistència

1


d’aquest així com el nivell de soroll elèctric del sensor. El material emprat és l’or ja que disposa d’una bona permeabilitat a la soldadura i no s’oxida a la temperatura de treball dels sensor. La capa activa disposa de geometria rectangular, l’amplada de la qual cobreix la separació entre les elèctrodes.

Figura 2. Fotografia dels elèctrodes d’un sensor

Figura 3. Fotografia d’un elèctrode amb la capa activa impresa

- El Heater i la resistència de mesura: Estan dissenyats en forma de meandres per tal de cobrir el màxim percentatge de superfície del sensor. El material utilitzat és el platí, que presenta una gran estabilitat a la temperatura de treball del sensor i, un coeficient de variació de la resistivitat amb la temperatura que el fa idoni per a funcions de mesura. En aquest projecte s’ha negligit la resistència de mesura a l’hora d’obtenir la temperatura del sensor.

Figura 4. Fotografia del heater i la resistència de mesura

2


1.2 Antecedents La cambra de test és l’objecte principal de tot el conjunt de mesura. La seva funció principal és la de mantenir els sensors en una atmosfera controlada, ja que per poder realitzar correctament les mesures, és necessari poder mantenir els sensors a una temperatura i un percentatge d’humitat determinats. Fins ara la cambra consistia en un recipient cúbic fabricat en metacrilat. Aquest material tenia les següents característiques:

- Transparència: El fet d’ésser transparent permet tenir una visió directe de tots els components situats a l’interior de la cambra, alhora que permet mesurar la temperatura dels sensors des de l’exterior, mitjançant un termòmetre d’infrarojos.

- Resistència: Permet dotar a la cambra de major resistència a l’expansió i

compressió que d’altres models que s’havien fabricat anteriorment en vidre.

- Dissipació de calor: Resulta ser un material amb poca capacitat de dissipar calor, donada la temperatura que pot haver-hi a la cambra durant un procés de medició continu.

Figura 5. Cambra de test fabricada en metacrilat

El control de temperatura es realitzava en llaç obert, es fixava una tensió de heater per obtenir una temperatura determinada als sensors, aquesta havia estat calculada prèviament mitjançant un calibratge inicial dels heaters. Les comprovacions de temperatura als sensors es realitzaven cada cert temps mitjançant un termòmetre d’infrarojos, però resulta que, les variacions del flux d’aire o gas introduït a la cambra així com els canvis en el percentatge d’humitat, provocaven una alteració en la temperatura dels sensors que obligava a tancar el llaç de control manualment per tal de poder mantenir la temperatura desitjada. De manera que l’usuari augmentava o disminuïa la tensió d’alimentació dels heaters, per tal d’aconseguir un cert control de temperatura sobre dels sensors.

3


1.3 Objectius - Dissenyar una cambra de test que permeti una correcta dissipació de la temperatura del seu interior. - Realitzar un control de temperatura en llaç tancat que sigui capaç d’actuar sobre els heaters davant de qualsevol variació a la temperatura dels sensors. - Adquirir i representar les dades obtingudes a partir de la mesura de les variacions de la resistència dels sensors, per tal de poder esbrinar quin tipus de gas hi ha a l’interior de la cambra. 1.4 Especificacions - El material escollit per la fabricació de la cambra ha estat l’acer inoxidable, ja que disposa d’una major capacitat de dissipar calor que el metacrilat. La cambra allotjarà al seu interior tres sensors thick-film. - El procés es controlarà des d’un ordinador mitjançant programació en Labview, a través de la placa d’adquisició de dades PLC-818L. Aquesta anirà connectada a una placa de condicionament i distribució de senyal a on es troben les alimentacions dels heaters i, l’electrònica necessària per mesurar els valors de la caiguda de tensió als sensors i als heaters. - Es vol treballar amb temperatures compreses entre la Tª ambient i 400ºC, el sistema serà capaç de reaccionar davant de qualsevol variació de temperatura externa o variació del flux de gas a l’interior de la cambra. - S’espera un màxim de precisió de 0.1ºC, deguda a la resolució del conversor D/A de la sortida analògica de la PCL-818L. 2. Hardware 2.1 Fonaments del Funcionament El sistema ha d’obtenir els valors de la resistència dels sensors i alhora controlar la temperatura de cada sensor situat a la cambra. S’obtenen les magnituds de la resistència de cada sensor, a partir de la caiguda de tensió que experimenta amb una alimentació a 10 V a un extrem i a l’altre extrem del sensor connectant una resistència (RL) que alhora anirà connectada a massa, (una estructura en semi-pont).

4


El control de temperatura és realitza mitjançant un sistema de control en llaç tancat, aplicant un controlador PID. La temperatura de cada sensor s’obté a partir de la caiguda de tensió en extrems del heater, que posteriorment es compara amb la rectes de calibratge obtingudes al laboratori a partir de la caracterització dels paràmetres del sensor. D’aquesta manera mitjançant una recta d’interpolació obtindrem el valor de temperatura de cada sensor. 2.2 Solució Adoptada

5


2.3 Esquema Funcional de l’Equip

Control del procés, adquisició i monitorització de les dades

Cambra de sensors

Placa de condicionament i distribució del senyal

6


2.4 Cambra de sensors Realitzada en dues peces, ambdues d’acer inoxidable. Amb un volum interior de 50 cm3. Preparada per allotjar tres sensor tipus Thick-film. Disposa d’una entrada i una sortida exterior a on connectar el circuit de gas a testar. A la seva part inferior anirà fixada la placa de circuit imprès que connectarà els sensors amb la placa de condicionament i distribució de senyal.

Figura 6. Cambra de sensors

Figura 7. Detall de l’interior de la cambra de sensors

7


2.5 Circuits Elèctrics 2.5.1 Placa de la Cambra de Sensors

Figura 8. Connexions corresponents a la placa situada a la cambra

El sensor 1, sensor 2 i, sensor 3 es troben representats per J1, J2 i, J3, respectivament. Les connexions 1 i 2 es troben desconnectades, ja que no s’utilitza la resistència de mesura de temperatura que incorporen els sensors. La connexió 3 és comú per als tres sensors i correspon amb l’alimentació de 10 V dels elèctrodes. La connexió 4, correspon a les caigudes de tensió dels elèctrodes del sensor 1, sensor 2 i, sensor 3, respectivament. La connexió 5 de cada sensor correspon a la tensió que es subministra al heater per tal d’assolir la temperatura de consigna. Per últim s’observa com la connexió 6 és comú per al tres sensors i correspon a massa.

Figura 9. Connexions de la placa corresponent a la cambra de sensors

8


2.5.2 Placa de Condicionament i Distribució del Senyal Els circuits indicats a continuació corresponen a l’electrònica necessària per actuar sobre el sensor 1, per als altres dos sensors el circuit és idèntic.

VCC 15VV HEATER 15V

dig input hold 1

GROUND

GROUND

analg input 1

analg input v heater 1

-VCC 15V

C2CAPACITOR NON-POL

R20

R

R2

R19

RR4

R

Q7

BD135/PLP

Q4

BC547C

Q6

BC547C

+

-

U5

OP07

3

26

7 14 8

+

-

U7

OP07

3

26

7 14 8

+

-

U3

LF398

3

85

1 24 6 7

Figura 10. Circuit elèctric corresponent al condicionament i distribució de senyal del sensor 1 Analitzant-lo per parts:

GROUND

analg input 1

VCC 15V

-VCC 15V

dig input hold 1v out

C2CAPACITOR NON-POL

+

-

U3

LF398

3

85

1 24 6 7

Figura 11. Primer bloc

El primer bloc correspon a un Sample & Hold comercial (LF 398), és l’encarregat de mantenir la tensió necessària a l’entrada de la font de corrent. La necessitat d’instal·lar-lo és deguda a que la placa d’adquisició de dades emprada (PCL-818), tan sols disposa d’una sortida analògica, i el sistema necessita controlar tres tensions analògiques de sortida, corresponents a les tres tensions que alimenten a les fonts de corrent controlada per tensió que injecten el corrent als heaters.

9


analg input v heater 1

V HEATER 15V

GROUND

VCC 15V

v out

-VCC 15V R2

Q6

BC547C

R4

R

R20

R

+

-

U7

OP07

3

26

7 14 8

+

-

U5

OP07

3

26

7 14 8

R19

R

Q4

BC547C

Q7

BD135/PLP

Figura 12. Segon bloc

Aquest bloc correspon a la font de corrent controlada per tensió que s’ha utilitzat per alimentar els heaters. A la sortida de la font s’ha configurat un parell Darlington per augmentar el guany de corrent, ja que es necessiten corrents de fins a 500 mA per heater. El bloc restador següent correspondria a l’electrònica necessària per obtenir les dades de caiguda de tensió al heater del sensor 1. Els altres dos sensors disposen de blocs idèntics.

V in rest 1

V out 1 rest

VCC SENSOR 10V

GROUND-VCC 15V

VCC 15V

+

-

U10

OP07

3

26

7 14 8

+

-

U15

OP07

3

26

7 14 8

R33R

R35R R9

R

R10

R

R15

R

R18

R

Figura 13. Bloc restador

Els valors de Tª superiors a 370ºC requereixen que la caiguda de tensió al heater sigui major de 10 V. Resulta que la placa d’adquisició de dades no reconeix tensions superiors a 10 V (les entrades analògiques de la placa d’adquisició emprada es poden configurar a ±10 V com a màxim), en conseqüència introduïm un bloc que resti la tensió existent del heater per una constant coneguda ( en aquest cas és -4 V), que ens permeti treballar amb temperatures superiors a 370ºC i poder identificar-les. Aquest bloc es troba instal·lat a la placa de condicionament i distribució de senyal, de manera que mitjançant uns jumpers és pot anul·lar i aleshores obtenir directament la tensió existent al heater. Aquesta opció s’ha considerat degut a que cada vegada s’està treballant amb temperatures de treball més baixes.

10


V out sensor 1

V out sensor 2

V out sensor 3

GROUNDR26

R

R24

R

J4

CON3

123

J3

CON3

123

J2

CON3

123

R30

R

R29

R

R28

R

R27

R

Figura 14. Opció de seleccionar dues càrregues diferents connectades en sèrie al elèctrode.

Aquest diagrama mostra com mitjançant uns jumpers podem seleccionar entre dues càrregues possibles per a cada sensor. Les càrregues utilitzades per a cada sensor corresponen a 100 kΩ i 1 MΩ. A continuació es mostra la placa impresa a dues cares del circuit de condicionament i distribució del senyal.

Figura 15. Connexions de la placa de condicionament i distribució del senyal (BOTTOM)

Figura 16. Connexions de la placa de condicionament i distribució del senyal (TOP)

11


Figura 17. Placa de condicionament i distribució de senyal

2.6 Tarja d’Adquisició de Dades S’ha emprat la placa d’adquisició de dades multifunció PCL-818L, les característiques més importants són:

- 16 single-ended or eight differential analog inputs, switch selectable. - 12-bit A/D, up to 40 kHz sampling rate with DMA transfer and different gain

for each channel.

- Software programmable gain values.

- Software selectable analog input ranges (bipolar): Two ranges, selected by jumper JP7: ±10, ±5, ±2.5, ±1.25 or ±5, ±2.5, ±1.25, ±0.625.

- 16 digital inputs and 16 digital outputs, TTL/DTL compatible.

- One 12-bit analog output channel.

- Flexible triggering options: software trigger, programmable pacer trigger and

external pulse trigger.

- Data transfer by program control, interrupt handler routin or DMA.

12


Les especificacions que han influenciat en el disseny de la placa de condicionament i distribució del senyal, han estat:

- Analog Input (A/D converter): input ranges max. ±10 V.

- Analog Output (D/A converter): 0 to +5 V

- Digital Output, output voltage: Low: Sink 8 mA at 0.5 V max. High: Source -0.4 mA at 2.4 V min.

2.7 Elecció de Labview Labview és una eina molt potent i pràctica per programar i controlar tot tipus de processos. La seva facilitat d’enteniment radica en el concepte de programar de manera “visual”, és a dir, mitjançant la construcció de diagrames de blocs que equivalen a línies de programa. Ha estat determinant a l’hora d’escollir el llenguatge de programació, la facilitat i claredat amb la qual Labview és capaç de representar per pantalla les dades obtingudes del procés, i la facilitat de poder controlar el procés des de la pantalla de manera visual i podent actuar directament sobre qualsevol variable del procés sense haver d’aturar-lo. A més a més, Labview disposa de blocs predissenyats que realitzen certes funcions molt comuns en el món del control. En aquest cas s’ha emprat el bloc predissenyat del controlador PID. 2.8 Distribució Final del Equip

Figura 18. Sistema preparat per realitzar medicions

13


2.9 Funcionament de l’Equip 2.9.1 Resposta Inicial Heaters i Posterior Variació de la Consigna Seqüència d’arrancada dels heaters, fixant una temperatura de consigna i constants del controlador PID.

Figura 19. Seqüència 1/4, arrancada del sistema a temperatura ambient.

Figura 20. Seqüència 2/4, arribada a la temperatura de consigna i posteriors oscil·lacions.

14


Figura 21. Seqüència 3/4, es van reduint les oscil·lacions al voltant de la consigna.

Figura 22. Seqüència 4/4, s’observen variacions en un rang d’amplitud reduït.

15


Reduint el valor de les consignes de temperatura, i s’observa la següent resposta:

Figura 23. Seqüència 1/3, el sistema reacciona davant la nova consigna amb certa lentitud degut a la pròpia naturalesa del sistema (inèrcia tèrmica).

Figura 24. Seqüència 2/3, es produeixen “grans” oscil·lacions inicials degut a la inèrcia tèrmica del sistema.

16


Figura 25. Seqüència 3/3, finalment la resposta es va estabilitzant al voltant de la nova consigna.

2.9.2 Resposta del Heater davant d’una Variació del Flux d’Aire Sintètic S’observa com al augmentar el flux d’aire sintètic a l’interior de la cambra produïm una refredament dels heaters. Aleshores el sistema reacciona augmentant la corrent als heaters, si en l’instant en que el sistema comença a actuar tornem a restaurar el flux inicial, el sistema sobrepassarà la temperatura desitjada però, no trigarà en detectar els canvis i actuarà per arribar de nou a la consigna de temperatura en les condicions presents a la cambra.

Figura 26. Seqüència 1/2, s’observa com al augmentar el flux d’aire els heater es refreden, quan el sistema comença a

recuperar-se, aleshores es redueix el flux i, apareix un sobrepic degut a la inèrcia tèrmica del sistema.

17


Figura 27. Seqüència 2/2, a flux constant el sistema torna a estabilitzar-se al voltant de la consigna.

2.9.3 Resposta Estacionaria d’un Sensor S’observa la variació de la resistència d’un sensor amb una temperatura fixada a 200ºC. A la cambra no hi ha circulació de cap gas ni aire.

Figura 28. S’observa com varia la resistència del sensor amb la temperatura i amb els canvis de flux del sensor.

18


2.9.4 Resposta d’un Sensor davant una Variació del Flux d’Aire Sintètic Observem la resposta de l’anterior sensor en el moment que forcem un flux d’aire sintètic a la cambra. Al principi augmentarà la seva resistència i quan es restauri el flux, s’observa com torna a decrementar la seva resistència.

Figura 29. Seqüència 1/2, augment de la resistència del sensor degut al refredament del sensor.

Figura 30. Seqüència 2/2, al restaurar-se el flux a la cambra i la temperatura al heater, el sensor va adquirint el valor

anterior de resistència observat a l’inici de la seqüència 1.

19


3. Software 3.1 Calibratge Inicial Les següents dades corresponen als valors de corrent, resistència i, temperatura que experimenten un grup de quatre sensors triats aleatòriament. La temperatura s’obtenia per mitjà d’un termòmetre d’infrarojos. Aquestes dades obtingudes ens mostren com la resposta dels diferents heaters és similar entre ells i, que tenen un comportament força lineal Mitjançant aquestes dades s’obtenen les equacions de regressió lineal de les diferents variables dels heater. Les que s’utilitzen en el desenvolupament del software de control, corresponen a les equacions mitjanes que ens relacionen:

- VH = f(Tª) A partir d’aquesta equació s’obté la caiguda de tensió necessària al heater per poder assolir la temperatura de consigna.

- IH = f(VH) Mitjançant aquesta equació s’obté el corrent que cal injectar al

heater per assolir una caiguda de tensió determinada, aquesta serà la tensió de sortida del bloc PID.

- Tª = f(VH) Aquesta equació permet obtenir la temperatura del heater a partir de

la seva caiguda de tensió. Dades obtingudes dels sensors:

S1(T.ambient 26,0ºC) S2(T.ambient 26,7ºC) Tensió Intensitat Resistència Temperatura Intensitat Resistència Temperatura

0 0 0 25 0 0 261 0,07 14,29 28 0,07 14,29 292 0,14 14,29 44 0,14 14,29 443 0,2 15,00 78 0,21 14,29 744 0,25 16,00 112 0,27 14,81 1165 0,3 16,67 160 0,32 15,63 1626 0,33 18,18 198 0,35 17,14 2047 0,37 18,92 267 0,38 18,42 2458 0,38 21,05 297 0,41 19,51 2929 0,4 22,50 339 0,43 20,93 335

10 0,43 23,26 397 0,45 22,22 38411 0,44 25,00 <405 0,47 23,40 <405

S’observa que el màxim de temperatura apreciable amb el termòmetre d’infrarojos és de 405ºC.

20


S3(T. ambient 27,0ºC) S4 (T.ambient 26,4ºC) Tensió Intensitat Resistència Temperatura Intensitat Resistència Temperatura

0 0 0 27 0 0 261 0,07 14,29 31 0,07 14,29 282 0,14 14,29 46 0,14 14,29 443 0,21 14,29 75 0,21 14,29 744 0,27 14,81 122 0,27 14,81 1145 0,32 15,63 172 0,32 15,63 1626 0,35 17,14 208 0,35 17,14 2027 0,38 18,42 253 0,38 18,42 2428 0,41 19,51 311 0,41 19,51 2899 0,43 20,93 347 0,43 20,93 329

10 0,45 22,22 389 0,45 22,22 36611 0,47 23,40 <405 0,47 23,40 <405

050

100150200250300350400450

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Resistència (Ohms)

Tem

pera

tura

(ºC

)

S1S2S3S4

Figura 36. Gràfica on es representa la variació de esistència del heater al augmentar la temperatura

.2 Inicialització del Sistema

A la pantalla de control, s’hauran d’introduir els següents paràmetres de

l·la. Per

corrent sigui igual a 0.

r

3 funcionament: temperatures de consigna, constants dels controladors PID, valor de la resistència en sèrie amb el elèctrode del sensor, tensió d’alimentació dels sensors. El sistema hauria de partir d’una situació inicial a on la corrent als heaters fos nuassegurar que la tensió als heaters és 0, hi ha un interruptor “desactivar_heaters”, que força 0V a la sortida analògica de la placa d’adquisició de dades i, després realitza un Sample&Hold a cada sensor, provocant que la tensió de control a l’entrada de les fonts de

21


3.3 Control de Temperatura

Vheater_consigna = f(Tªconsigna) Vheater = Vout + 4

PID

Iheater heater_PID) = f(V

Vsource = f(Iheater)

Tª = f(Vheater)

1) S’obté la caiguda de tensió al heater necessària per assolir la temperatura de consigna,

heater_consigna).

en els 4 V que resta la electrònica de condicionament de senyal, ja que es

na), i la nsió de heater real, (Vheater). A la sortida s’obté la tensió de heater necessària a aplicar per

a el orrent necessari que s’ha d’injectar al heater per tal d’assolir la temperatura de consigna,

t la corrent de heater necessària, es calcula la tensió a aplicar a la font de corrent ontrolada per tensió per tal d’obtenir el corrent calculat, (Vsource).

peratura del sensor per quest valor de tensió de heater.

(VSumant 4 V a la tensió obtinguda de testar el heater, s’obté la tensió real del heater, (Vheater). (Es sumrecorda que la placa d’adquisició no reconeix tensions de treball superiors a 10 V). 2) S’introdueix al controlador PID la tensió de heater de consigna (Vheater_consigtetal d’arribar a la consigna, (Vheater_PID). Els paràmetres del controlador PID s’obtenen inicialment per les regles de Ziegler-Nichols i s’han ajustat per assaig de prova i error. 3) A partir de la tensió obtinguda del bloc de control PID, (Vheater_PID ), es calculc(Iheater). 4) Teninc 5) Es tanca el llaç. Cada vegada que s’obté Vheater es calcula la tema

22


3.4 Obtenció de les Variacions RSENSOR

Capturar Vout_sensor

RSENSOR = f(Vcc, VL, RL)

1) S’obté el valor real de caiguda de tensió al sensor, es recorda que el sensor es troba onnectat en sèrie amb una resistència RL (100 kΩ o be 1 MΩ), i alhora alimentat a 10 V.

ives.

. Conclusions

Amb el disseny de la cambra en acer inoxidable s’ha aconseguit millorar la peratura dels sensors, evitant que les soldadures realitzades tant a cada

nsor com les de la placa de la cambra arribessin a temperatures en les quals es pogués

de calor.

esura de temperatura. Però, si es canviés el odel de sensor o si tan sols es modifiqués algun paràmetre del sensor, com ara: el disseny a nat

c 2) Es calcula la resistència del sensor a partir de: la tensió d’alimentació (Vcc = 10 V), la caiguda de tensió a la resistència connectada en sèrie RL i, el valor de RL seleccionat. 3) Aquesta acció es repeteix cada 3segons (per a cada sensor). Ja que és un sistema de reacció lenta, s’ha comprovat que a partir de tres segons les variacions ja són significat 4 dissipació de temsedesconnectar els terminals soldats. Si en un futur s’hagués de treballar a temperatures majors, el disseny rectangular de la cambra permetria instal·lar-hi dissipadors de calor al seu voltant i d’aquesta manera augmentar la capacitat de dissipació El control de temperatura resulta ésser pràctic, econòmic i efectiu, ja que no necessita d’elements auxiliars per realitzar la mmi l uralesa dels heaters, material a on va imprès l’elèctrode i el heater, dimensions de l’elèctrode i heater, etc. Caldria realitzar de nou les rectes de calibratge i, obtenir les rectes de regressió lineal que relacionessin els paràmetres de temperatura dels sensor i resistència del heater.

23


5. Referències bibliogràfiques

áfica para el control de instrumentación. Antonio Mánuel Lázaro, Editorial Paraninfo, 1996.

[3]. Jesús Dalmau Viñals. Disseny i fabricació de sensors de gasos de capa gruixuda

]. Esteban del Castillo. Apunts d’Informàtica Industrial II. 2002/03

[7]. PC Board Connector, molex 5.08mm.

F398

[1]. Lab View Programación gr

[2]. Peter Ivanov, Jaromir Hubálek. Preparation of thick film sensors – Report. Tarragona.

d’òxid d’estany. Tarragona 2001. [4]. Francesc Porqueras Sànchez. Caracterització elèctrica de sensors resistius d’òxid

d’estany. [5]. High-performance DAS card PCL-818L. Advantech Co. 1995.

[6

www.molex.com/customer.html?supplierPN=3002t:3003 [8]. Monolithic Sample and Hold Circuits L

www.national.com/pf/LF/LF398.html

24

Sistema de Caracterització de Sensors Thick-Film Memòria de Càlcul

Memòria de Càlcul 1. Hardware 1.1 Alimentació Heaters L’alimentació dels heaters es realitza a partir d’una font de corrent controlada per tensió. Com a paràmetres de disseny es té que:

- La tensió de control variarà al rang de 0-5 V, degut a limitacions de la placa d’adquisició de dades.

- Per tal de poder assolir temperatures de 400ºC, cal injectar als heaters una

corrent propera als 500 mA. Analitzant el circuit elèctric de la figura 12 de la pàgina 9, que correspon a la font de corrent controlada per tensió, tenim que:

control22019

4HEATER V·

R)·RR(R

i+

=

Fixant els valors: R2 = 1 kΩ iHEATER = 500 mA R19 + R20 = 6.6 Ω Vcontrol = 5 V Obtenim: R4 = 660 Ω (valor comercial agafat 680 Ω) 1.2 Obtenció de la Caiguda de Tensió als Heaters La caiguda de tensió capturada per la tarja d’adquisició, resulta ser la tensió del heater -4 Volts. Per lo tant a efectes de càlcul, a l’algoritme de control s’agafa com a caiguda de tensió dels heaters la tensió capturada + 4 Volts.

Vheater = Vout + 4

1.3 Adquisició de la Caiguda de Tensió a RL La caiguda de tensió a la resistència connectada en sèrie amb el sensor és mesura de manera directa. Cada sensor es troba alimentat a +10 V i connectat en sèrie a RL que farà de pont amb la massa.

25


1.4 Circuit Restador A la figura 13 de la pàgina 10 es pot observar el diagrama elèctric del bloc restador. Fixant els valors: R9 = R10 = R15 = R18 = 10 kΩ S’obté una resta entre el valor real del heater i el valor obtingut del divisor de tensió. Si al divisor de tensió fixem: R35 = 1 kΩ

Calculant 2R·3

R 3533 = = 1k5 Ω

S’obté que: Vout = VHEATER - 4 2. Software 2.1 Mètode de Càlcul per obtenir la Tª Heater, Vheater_consigna, iheater A partir del calibratge inicial dels sensors, obtenim les equacions mitjanes següents:

Tª = f(Vheater)

Tª = -59.5 + 44·Vheater

Vheater_consigna = f(Tªconsigna) Vheater_consigna = 1.354297797 + 0.022718332·Tªconsigna

Iheater = f(Vheater_PID) Iheater = 0.1373809524 + 0.0330952381·Vheater_PID

Aquestes són les equacions que aplica el software de control per obtenir les diferents variables necessàries per controlar el sistema.

26


2.2 Càlcul de la Resistència del Sensor

VCC_+10V

R1

Rsensor

R2RL

+ Vm -

Analitzant el circuit anterior s’obté l’equació per obtenir el valor de Rsensor:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 1

VV

RRm

ccLS

A on es coneixen els valors de: Vcc = 10 V RL = A seleccionar entre 1 MΩ o 100 kΩ Vm = Caiguda de tensió adquirida en temps real 2.3 Programa Principal 1) Càlcul del la resistència del sensor 1

El bloc analg input obté la tensió caiguda a extrems de la resistència en sèrie amb el sensor 1. Es realitza la següent

operació:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 1

VV

RR1m

cc1L1S

27


2) Càlcul de la resistència del sensor 2


operació:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 1

VV

RR2m

cc2L2S

3) Càlcul de la resistència del sensor 3


operació:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 1

VV

RR3m

cc3L3S

28


4) Algoritme del control de temperatura del sensor 1 4.1) 0/2

Al bloc PID s’introdueix:

- Caiguda de tensió consigna1. - Caiguda de tensió real al heater1 menys 4 V. - Paràmetres del controlador1: Kp, Ki, Kd.

A partir de la caiguda de tensió obtinguda del bloc PID, es calcula la tensió que cal aplicar a la font de tensió1 per aconseguir que el heater1 arribi a la temperatura de consigna1.

4.2) 1/2

El bloc samp & hold posa a 1 el bit 1 i posteriorment a 0 per tal carregar el nou valor de tensió a la font de corrent1 i

mantenir-lo a aquest valor fins el proper refresc. S’introdueix un retard d’1 segon.

29


4.3) 2/2

S’obté el valor de la caiguda de tensió al heater1 i a partir d’aquesta es calcula la temperatura del heater1.




A partir de la caiguda de tensió obtinguda del bloc PID, es calcula la tensió que cal aplicar a la font de tensió2 per aconseguir que el heater2 arribi a la temperatura de consigna2.

30


5.2) 1/2



5.3) 2/2


31





A partir de la caiguda de tensió obtinguda del bloc PID, es calcula la tensió que cal aplicar a la font de tensió3 per aconseguir que el heater3 arribi a la temperatura de consigna3. 6.2) 1/2



32


6.3) 2/2


7) Funció Sample & Hold 7.1) Escriu un “1” al bit seleccionat de la sortida digital

7.2) Escriu un “0” al bit seleccionat de la sortida digital

33


8) Lectura entrades analògiques

9) Escriptura sortida analògica (amb protecció contra sobre tensions)

10) Desactivar Heaters

Posa a 0V la sortida analògica.

34


Realitza la càrrega de 0V als 3 sample & hold, provocant que les tres fonts de corrent quedin desactivades.

35

Sistema de Caracterització de Sensors Thick-Film Plànols

Plànols 1. Cambra dels sensors de gas

36


2. Placa de la Cambra dels Sensors de Gas

37


3. Placa del Circuit de Condicionament i Distribució de Senyal

38

Sistema de Caracterització de Sensors Thick-Film Pressupost

Pressupost

Descripció material nº Unitats

Preu Unitari € (IVA inclòs)

TOTAL €

R 3.3 Ω (2.5 W) 6 0.05 0.3

R 1 kΩ (1/4 W) 6 0.05 0.3

R 680 Ω (1/4 W) 3 0.05 0.15

R 10 kΩ (1/4 W) 12 0.05 0.60

R 1k5 Ω (1/4 W) 3 0.05 0.15

R 100 kΩ (1/4W) 3 0.05 0.15

R 1 MΩ (1/4 W) 3 0.05 0.15

OP 07 12 2.50 30.00

BC 547 6 0.11 0.66

BD 139 3 0.41 1.23

LF 398 (Sample & Hold) 3 3.68 11.04

C 22nF 3 0.14 0.42

Jumpers + Pins connexió 6 + 12 1.80 1.80

Connector PCB 16 0.60 9.60

Placa PCB 17x7cm 1 45.00 45.00

Placa PCB 24x13cm 1 60.00 60.00

Cambra acer 1 170.00 170.00

Total Material: 331.55€ Mà d’obra 8 hores 25 €/hora 200€

TOTAL: 531.55€

39

Sistema de Caracterització de Sensors Thick-Film Plec de Condicions

Plec de Condicions 1. Condicions Generals 1.1 Condicions legals i administratives Els objectius a assolir en el projecte s’executaran d’acord a la normativa UNE referent a totes les parts implicades i especificades a l’apartat “31 Electrònica” del catàleg de la Associació Espanyola de Normalització i Certificació (AENOR), com ara les següents: 31.020 – Components electrònics en general. 31.040 – Resistències elèctriques. 31.040.10 – Resistències fixes. 31.060.10 – Condensadors fixos en general. 31.060.30 – Condensadors de paper i plàstic. 31.080 – Dispositius Semiconductors. 31.160 – Filtres elèctrics. 31.180 – Targes i circuits impresos. 31.200 – Circuits integrats, microelectrònica, etc. També s’han de complir els aspectes referents al Reglament Electrotècnic de Baixa Tensió que afecten a la instal·lació. A continuació es citen les instruccions complementàries més importants del reglament electrotècnic per a baixa tensió: 017 – Instal·lacions interiors o receptores. Prescripcions de caràcter general. 020 – Instal·lacions interiors o receptores. Proteccions contra sobreintensitats i

sobretensions. 029 – Instal·lacions a petites tensions. 030 – Instal·lacions a tensions especials. 031 – Receptors. Prescripcions generals. 035 – Receptors. Transformadors i autotransformadors. Reactancies i rectificadors.

Condensadors. 044 – Normes LINE d’obligat compliment publicades per l’Institut de

Racionalització i Normalització (IRANOR). 1.2 Condicions Econòmiques La forma de pagament de l’equip serà al contat si aquest ja es troba fabricat. En el cas d’haver de fabricar-lo s’abonarà en dos pagaments, un a conta d’inici del treball de fabricació i la resta al finalitzar el mateix. Sempre que es compleixin els requisits exposats en les condicions facultatives.

40


1.3 Condicions Facultatives Ofertes exposades per la empresa projectista:

- Es compromet a realitzar el treballs exposats en el present projecte fins efectuar la seva venta.

- No es compromet a realitzar treballs aliens de qualsevol tipus no especificats en el present projecte.

- En el cas de que el primer pagament no s’efectuï alhora de donar inici a la fabricació, es procedirà a la paralització de la construcció.

- El termini de garantia de sis mesos, serà complert per l’empresa projectista sempre i quan es justifiqui que l’avaria és aliena al mal ús de l’equip.

Requisits obligatoris a complir per part del comprador:

- Qualsevol retràs produït en el procés de fabricació per causes alienes a l’empresa o degudament justificades, seran acceptades per el demandant, sense opció a reclamar per danys i perjudicis.

- Un cop finalitzat el termini de garantia, no té dret a reclamar gratuïtament ajustos o reparacions en l’equip.

- Quan s’efectuï el contracte, ambdues parts acordaran lo exposat anteriorment i fixaran les dates de pagament segons correspongui, es procedirà al tancament del contracte amb la firma dels documents oportuns.

2. Condicions Tècniques 2.1 Condicions tècniques de materials i equips A continuació s’expressen les condicions que han de complir els components fabricats per adquirir, components a fabricar, materials, dissenys de plaques de circuit imprès, propietats, dimensions, proteccions contra sorolls, etc. Aquestes condicions garantitzen el compliment de les normatives i reglaments vigents que poden afectar-les, ja expressades en les condicions generals, legals i administratives. 2.1.1 Especificacions del components electrònics 2.1.1.1 Conductors: Els conductors utilitzats són circulars degut a que aquests tenen avantatges respecta els d’altres tipus de secció, tenen una àrea menor, major dissipació calorífica i, bona flexibilitat.

41


2.1.1.2 Connectors: Les connexions d’alimentació externes i internes entre targes de circuit imprès es realitzen amb connectors bipolars i tripolars, ja siguin regletas o connectors PCB. 2.1.1.3 Resistors lineal i fixos: En la fabricació s’utilitzen resistències de capa metàl·lica de toleràncies 5% corresponents de la sèrie E24. 2.1.1.4 Condensadors de Plàstic: Estan formats per dues bandes d’alumini i per dues fulles de plàstic per bobinat. Els condensadors de poliester utilitzen un dielèctric metal·litzat. Presenten la propietat d’autoregeneració, el seu volum es reduït i la resistència d’aïllament varia amb la temperatura. En aquest projecte la treballen com a emmagatzemadors de càrrega dels sample & hold. 2.1.1.5 Amplificadors Operacionals: En aquest projecte s’ha utilitzat únicament l’amplificador operacional OP07, com a característiques presenta una petita variació del seu paràmetre de sortida respecta a les temperatures (0.5 uV/ºC), i és molt adequat per aplicacions de precisió i control. 2.1.1.6 Plaques de Circuit Imprès i Amplitud de les Pistes: Els fotolits han estat dissenyats mitjançant el programa Orcad release 9. S’han escollit plaques presensibilitzades positives a dues cares, fabricades en fibra de vidre. Les amplituds de les pistes utilitzades, són: 1.5 mm per l’alimentació dels heaters i massa, 1.2 mm resta d’alimentacions, 0.8 mm totes les altres pistes de senyal analògica i digital. 2.1.2 Protecció contra Sorolls Tots els components i circuits tant de senyal analògica com digital disposen d’un mateix pla de masses, que anirà connectat a la unitat controladora corresponent, per tal d’evitar masses flotants i interferències elèctriques i magnètiques. S’utilitzarà cablejat i connectors adequats per a cada tipus de senyal per tal d’evitar sorolls electromagnètics.

42


2.2 Condicions Tècniques d’Execució 2.2.1 Fabricació de les Plaques de Circuit Imprès Un cop obtinguts els fotolits ja es pot efectuar la fabricació de les plaques seguint les següents operacions: - Preparació del material i maquinària a emprar: insoladora, revelador, atacador i les plaques de material fotosensible positiu de doble cara fabricades en fibra de vidre. - Col·locar la placa de circuit imprès entre els fotolits prèviament units. Introduir-la a la insoladora cobrint-la amb el plàstic. Activar la bomba de vidre per evitar la formació de bombolles d’aire entre les transparències i les cares de la placa. El temps d’exposició a la llum actínica depèn de la làmpara utilitzada, de la distància de la placa, del material fotosensible utilitzat i la antiguitat del mateix. Per això el fabricant indica quin és el temps òptim recomanat. - Finalitzada la exposició, es retira la placa de la insoladora i es col·loca dins el líquid revelador. El temps de revelat depèn de la placa, indicant el fabricant quin és l’adequat. Quan estigui suficientment revelat les pistes s’han de veure nítides i la resta de superfícies sense cap substància fotosensible, és a dir, s’ha de veure el coure net. - Acabat el revelat, es col·loca la placa sota l’aixeta i es neteja amb aigua produint una parada en el revelat. Després passarem a la fase d’atacat, es submergeix la placa en el atacador, observant com va desapareixent el coure lliure i les pistes es mantenen intactes. Una vegada que ha desaparegut el coure lliure, es treu la placa del atacador i es neteja amb aigua per aturar l’acció del atacador. - Es neteja la emulsió fotosensible que recobreix les pistes amb alcohol o acetato. Estan ja preparades per recobrir-les amb estany mitjançant una estanyadora. - Posteriorment es neteja amb aigua i es procedeix a la mecanització dels forats (pads o vies) amb els diàmetres de broca corresponents. 2.2.2 Soldadura dels Components S’ha utilitzat soldadura per fusió de la aleació metàl·lica (estany-plom), mitjançant l’aplicació de temperatura, passos a seguir: - Neteja prèvia de la punta del soldador elèctric i la resta de components a soldar. - Esperar a que la punta del soldador arribi a la temperatura de treball. - Establir un íntim contacte entre la base metàl·lica del pin a soldar amb el metall a fondre. Aquest material a fondre és un fil amb una composició del 63% d’estany i 37% de plom, amb una resina que facilita la neteja de les superfícies en contacte en el moment de lasoldadura. Aquesta resina també facilita i protegeix la soldadura de posteriors

43


oscil·lacions accelerades al entrar en contacte amb el oxigen de l’aire a temperatures elevades. - Aplicació de suficient temperatura, a 183ºC, per arribar a escalfar el pin a soldar i fondre el material de soldadura. - La soldadura, en estat de fusió, humidifica les bases del metall, provocant la posterior formació intermetàl·lica. - Per últim, resta deixar refredar la soldadura realitzada. Es important soldar alternadament pins de diferents components, per tal d’evitar que els components adquireixin temperatures massa elevades i puguin provocar el seu deteriorament.

44

Sistema de Caracterització de Sensors Thick-Film Annexes

Annexes 1. Manual de l’Usuari 1) Connectar la placa de la cambra de gasos a la placa de condicionament i distribució de senyal, s’han de connectar les connexions que tinguin igual nom de cada placa, els noms de cada connexió es troben impresos a les plaques o també es poden consultar els layouts. 2) Connectar la placa de condicionament i distribució de senyal a la PCL-818, connectar-hi també a la placa de condicionament de senyal les fonts d’alimentació necessàries (no encendre-les), calen les següents tensions:

- ±15 V per alimentar els operacionals - +10 V per connectar als sensors - +15 V (mínim 1.5 A) per alimentar els heaters.

3) Connectar la cambra de gasos al circuit de gas desitjat, no obrir encara el flux. 4) Encendre l’ordinador i arrancar el programa “sensores” de control en Labview. 5) Fixar per pantalla els paràmetres següents:

- Vcc connectada als sensors. - Temperatures de consigna independents per a cada sensor. - Valors de RL (resistència en sèrie amb el sensor) independents per a cada

sensor. - Paràmetres de control PID per a cada heater, i la tensió màxima i mínima de

sortida del controlador PID. 6) Encendre les fonts d’alimentació. 7) Clicar sobre Desactivar Heaters , per tal d’assegurar-nos que inicialment la sortida analògica de la PCL-818 és igual a 0 V, i que hi ha 0 V a l’entrada de les fonts de corrent, per tant la corrent als heaters serà nula. 8) Posar en marxa el sistema, clicar On/Off . 9) Quan ja s’ha assolit la temperatura de treball desitjada, ja es pot obrir el flux de gas seleccionat. 10) Adquisició de dades i seguiment per pantalla de les variacions de les resistències dels sensors i les fluctuacions de temperatura d’aquests. 11) Per aturar el sistema: 1.- Parar el flux de gas. 2.- Clicar sobre Desactivar Heaters i posteriorment quan els tres termòmetres de la pantalla marquin 0, clicar sobre On/Off.

45

sistema de caracterització de sensors...

Documents