Análisis con sistema expuesto a fuente de error

Para la realización de esta prueba, se va a utilizar un termopar con sensibilidad de 40 μV/˚C. Se sitúa en serie entre la salida del puente y la entrada a la placa de evaluación. Producirá una tensión adicional, que en función de cómo esté colocado, falseará la medida aumentando o disminuyendo la tensión de entrada a la placa de evaluación del circuito integrado. Por lo tanto, el valor expresado en el programa tanto en gramos como en voltios no se corresponderá con el valor real.

Para comprobar la influencia del efecto Seebeck sobre el sistema de medida, se van a realizar diferentes pruebas con el fin de comprobar la viabilidad del sistema a través de comparativas, como ya se han visto en el caso de las configuraciones de la placa de evaluación.

Todas las pruebas se realizan bajo las mismas condiciones iniciales. Son las que vienen por defecto en el programa (Figura 60) y con un peso de 1kg. Algunas consideraciones particulares se detallarán durante el desarrollo del apartado.

Antes de comenzar con el análisis, se tiene que tener en cuenta una última consideración. El termopar tiene polaridad, por lo que dependiendo de cómo se conecte, aumentará o disminuirá la tensión que se procesa a la entrada de la placa de evaluación (salida del puente de Wheatstone).

Para comprobar el efecto que produce la integración del termopar en el sistema, se van a separar dos fases con el mismo número de muestras: la primera etapa con la resistencia calefactora del termopar activa y sin detener el muestreo (etapa de calentamiento que en adelante se hará referencia a ella como caldeo ON, y una segunda etapa con la resistencia sin alimentar, pero sin retirar el termopar del sistema (etapa de enfriamiento o caldeo OFF). La combinación de diferentes parámetros para distintos modos de funcionamiento permite una posibilidad de evaluaciones inmensa. Pero varias de ellas llevarían a una única conclusión, por lo que su valoración acabaría siendo redundante. Por ello, de primeras se va a considerar ambas posibilidades de conexión del termopar, para más adelante sólo trabajar con una de esas combinaciones, puesto que las conclusiones serían extrapolables para el caso inverso.

Alimentación DC vs alimentación AC

Se podría considerar este concepto como el eje central del proyecto. Aunque se ha anticipado cuál es el resultado esperable, hay que corroborarlo en el laboratorio para tener la certeza de que en la realidad, la teoría se cumple. Y es a lo que se va a tratar a continuación.

Alimentación DC

Para realizar este ensayo, se siguen los siguientes pasos:

 Se comienza por el sistema excitado con tensión continua y con su calibración, de manera análoga al resto de casos.

 Se coloca el termopar en serie con la salida del puente y se calienta una unión para que genere tensión.

 Se realizan 1000 muestras desde la conexión del termopar, y después se toman otras 1000 muestras con el termopar desconectado, para ver la reacción del sistema y cómo se repone a la tensión adicional.

Primero, se evalúa el sistema con la siguiente conexión del termopar, que de aquí en adelante, la definiremos como conexión 1 del termopar:

Figura 81. Primera conexión del termopar en serie con la salida del puente de Wheatstone.

Así pues, la tensión adicional que aportará el termopar aumentará la tensión total que se situará a la entrada del circuito integrado para su procesamiento. Este aumento de la tensión, tras su proceso de conversión, supondrá un error respecto a nuestro sistema “ideal”, que traerá consigo un aumento en la medida en gramos del sistema, no correspondiéndose la medida con el valor real de lo ubicado sobre la báscula.

Masa (gr) Tensión salida puente (V)

Inicio 1034,63 0,0028301

Fin (muestra 1000) 1975,524 0,0047192

Tabla 26. Rango de valores de masa en el intervalo con caldeo en ON (conexión 1).

Masa (gr) Tensión salida puente (V)

Inicio (muestra 1001) 1975,524 0,0047192

Fin (muestra 2000) 1202,61 0,0031674

Tabla 27. Rango de valores de masa en el intervalo con caldeo en OFF (conexión 1).

Tras 1000 muestras con el termopar activo, se aprecia con los resultados extraídos, que el error para 1 kg es de casi el 100% (duplica su valor). Siguiendo la evolución de la gráfica, si se hubiese ampliado el número de muestras hasta alcanzar un régimen permanente, el valor de la medida habría superado con creces los 2 kg.

Habiendo finalizado las citadas 1000 primeras muestras, se desconecta la resistencia calefactora y se observa cómo su desconexión supone que la tensión del termopar disminuye a la par que lo hace su temperatura, pero a un ritmo inferior que cuando éste se calienta estando activo. En el intervalo preestablecido de 1000 muestras, el error respecto al valor real del peso disminuye a un 20 %. Sin embargo, aunque a la inversa, la evaluación es similar a la de la conexión del termopar; una evolución abrupta al principio del ciclo para tender a estabilizarse con el paso del tiempo. La curva de variación de la magnitud de salida es más lenta cuando el caldeo está desconectado puesto que la resistencia calefactora, y por tanto, la unión de los metales que componen el termopar, tarda más en enfriarse que en calentarse. A continuación, se procede con la conexión inversa del termopar (conexión 2). Ahora, la salida del puente va a tener en serie el termopar conectado de tal forma que la tensión total a procesar por el circuito se verá reducida, suponiendo un error que simulará una reducción del peso respecto del valor real que se encuentra en la báscula.

La gráfica extraída para esta configuración es la siguiente:

Gráfica 39. Evolución de la señal de salida con alimentación DC bajo efecto de termopar que reduce tensión de salida del puente.

Los datos exactos que delimitan cada una de las dos fases son:

Masa (gr) Tensión salida puente (V)

Inicio 1002,932 0,0027622

Fin (muestra 1000) 35,14127 0,0008207

Tabla 28. Rango de valores de masa en el intervalo con caldeo en ON (conexión 2).

Masa (gr) Tensión salida puente (V)

Inicio (muestra 1001) 35,14127 0,0008207

Fin (muestra 2000) 771,3276 0,0022975

Tabla 29. Rango de valores de masa en el intervalo con caldeo en OFF (conexión 2).

Se toman el mismo número de muestras para la conexión y desconexión del caldeo, con la finalidad de estandarizar el proceso.

Al igual que en el caso anterior, la variación (en este caso, disminución) de la medida de masa es cercana al 100% (la tensión producida por el error es similar a la producida por el puente al situarle un peso de 1 kg).

A modo de resumen, el efecto que produce la conexión del termopar es la de producir un error en la medida en una u otra dirección, aumentando o disminuyendo la tensión de salida del puente, y por consiguiente, del valor en gramos que se extrae del sistema.

Pero lo verdaderamente relevante de esta experiencia, y habiendo probado ambas conexiones posibles del termopar, es que el sistema alimentado por tensión DC no es inmune y se ve claramente afectado por la influencia del termopar como fuente de error.

Alimentación AC

La finalidad de este apartado es la de comprobar si el sistema con alimentación alterna tiene una mejor respuesta ante una fuente de error de offset respecto al sistema con alimentación de continua. La forma de proceder es exactamente la misma que en el caso anterior. La diferencia es la señal de excitación de la célula de carga, que en esta ocasión será de tensión AC.

Comenzamos pues con la que hemos denominado conexión 1 previamente. En esta ocasión, y puesto que el sistema AC es más lento, se reducen el número de muestras a 200 para cada fase, que son suficientes para apreciar el comportamiento global del sistema.

Gráfica 40. Evolución de la medida del peso con alimentación AC con caldeo en ON y OFF, respectivamente (conexión 1).

A simple vista, se observa que el sistema con alimentación AC compensa el error producido por el termopar con el paso de las muestras, hasta acercarse cada vez más al valor real del peso colocado sobre la báscula. De manera análoga, actúa cuando se produce la desconexión del caldeo, adaptándose de nuevo a un sistema sin fuente de error externa.

Sin embargo, la cantidad de muestras a representar impiden una representación nítida del comportamiento del sistema. Para remediarlo, se realiza un zoom, dividiendo por separado las fases con el caldeo en ON y la de adaptación tras su paso a OFF.

Gráfica 42. Evolución de la medida en gramos para caldeo en OFF (conexión 1).

Cuando en las siguientes tablas se habla de tensión de salida, nos referimos a la tensión de salida del puente, ya considerado el efecto en la tensión del termopar. Otra forma de denominar esta misma tensión sería como tensión de entrada a la placa de evaluación del circuito integrado.

Conexión 1 Caldeo ON Ganancia=128

Masa (gr) Tensión salida sistema (mV)

Máximo 1008,148 2,7769

Mínimo 991,2353 2,7430

Valor final 999,0884 2,7519

Tabla 30. Valores representativos de la señal con caldeo ON para termopar en conexión 1.

Conexión 1 Caldeo OFF Ganancia=128

Masa (gr) Tensión salida sistema (mV)

Máximo 1007,51 2,7756

Mínimo 991,9914 2,7445

Valor final 999,4884 2,7535

Tabla 31. Valores representativos de la señal con caldeo OFF para termopar en conexión 1.

Los valores máximos y mínimos se corresponden con el comienzo de la región más ancha de la señal; esto es, al producir un cambio en el sistema de medida, ya sea por la conexión o desconexión del caldeo.

Como ocurría con alimentación de continua, debido a que la resistencia calefactora del termopar se enfría al eliminar la alimentación más lentamente que cuando se calienta al alimentarse, el sistema presenta una mayor dispersión con el caldeo activo. Sin embargo, hablamos de diferencias en extremos de décimas de gramos o microvoltios, por lo que a efectos prácticos, se pueden considerar una respuesta similar en ambos casos.

Gráfica 43. Evolución de la medida del peso con alimentación AC con caldeo en ON y OFF, respectivamente (conexión 2).

De nuevo, es complicado apreciar algo más que la tendencia de la señal, si no se hace un zoom de ella.

Gráfica 44. Evolución de la medida en gramos para caldeo en ON (conexión 2).

El comportamiento es análogo al caso anterior. Mismo comportamiento para la presencia o eliminación del caldeo, aunque ligeramente más cercano al valor final en el intervalo de adaptación tras la supresión del caldeo.

Conexión 2 Caldeo ON Ganancia=128

Masa (gr) Tensión salida sistema (mV)

Máximo 1008,12 2,7769

Mínimo 991,1925 2,7429

Valor final 1000,088 2,7547

Tabla 32. Valores representativos de la señal con caldeo ON para termopar en conexión 2.

Conexión 2 Caldeo OFF Ganancia=128

Masa (gr) Tensión salida sistema (V)

Máximo 1007,373 2,7754

Mínimo 991,9937 2,7445

Valor final 1000,114 2,7554

Tabla 33. Valores representativos de la señal con caldeo OFF para termopar en conexión 2.

Si se compara los valores con y sin caldeo para esta conexión, se sacan las mismas conclusiones que para la conexión 1, puesto que los valores en ambos casos son similares. Por lo tanto, se puede concluir que:

 La presencia del termopar afecta enormemente a la medida si el sistema tiene alimentación DC.

 Las posibles combinaciones del termopar afectan de la misma forma, con la misma magnitud, pero en sentido opuesto.

 Conclusión principal del proyecto: La alimentación AC sirve para eliminar errores de offset presentes en la entrada del sistema.

Teniendo comprobado ya que el sistema alimentado por tensión alterna es capaz de inmunizar al sistema de medida ante los errores provocados por el termopar, que hace las veces de fuente de error de offset en la entrada, ahora se va a valorar si la respuesta ante esta situación puede ser mejor o peor, dependiendo de algunos parámetros de configuración que permite nuestra placa de evaluación.

Nota: A partir de aquí, se va a valorar únicamente cómo afectan los parámetros al sistema alimentado por excitación AC, pues es el modo que nos permite compensar los errores provocados por agentes externos.

Respuesta del sistema ante diferentes frecuencias de salida del

ADC

baja frecuencia de salida del ADC (alto valor decimal de FS). De igual forma, se comprueba cómo afecta este parámetro en presencia del termopar.

Como se ha visto que una muy alta frecuencia de datos no es conveniente, debido al alto ruido y dispersión de valores y a que, para casos extremos, el programa notifica errores de medida debida a la alta velocidad. Por ello, se va a hacer la comparativa para dos valores intermedios y comparar así el comportamiento resultante.

Valor decimal FS fADC

960 5 Hz

480 10 Hz

Tabla 34. Configuración de parámetro FS y correspondiente fADC para esta prueba.

El comportamiento del sistema para 5 Hz, ya se ha valorado previamente, por lo que se valorarán los resultados obtenidos entonces. Aún así, para facilitar la apreciación de los detalles relevantes, se vuelve a adjuntar la forma de onda para ese régimen.

Gráfica 46. Evolución de la medida en gramos para ciclos del caldeo en ON y OFF, con fADC=5Hz

(FS=960).

Procedemos de igual manera para fADC=10 Hz (FS=480).

Gráfica 47. Evolución de la medida en gramos para ciclos del caldeo en ON y OFF, con fADC=10Hz

Se realiza la prueba con una adquisición de 100 muestras para caldeo activo y las mismas para caldeo sin activar para observar la tendencia del comportamiento del sistema. Ampliar el número de muestras a representar hubiese complicado la visualización nítida de los picos que aparecen en las gráficas.

A simple vista, el comportamiento del sistema en ambos casos es similar ya que ambos presentan un error en la medida cuando se produce la activación y desactivación del caldeo, respectivamente. Aproximadamente, para alcanzar el valor final, el sistema con fADC a 5 Hz

requiere de unas 20 muestras, mientras que el sistema con fADC a 10 Hz necesita unas 40

muestras. Si lo extrapolamos al tiempo de muestreo del sistema, en ambos casos hablamos de unos 16 segundos (teniendo en cuenta que en ambos casos la configuración del filtro es sinc4), por lo que en tiempo tardan lo mismo en alcanzar ese valor.

Sin embargo, el ruido pico-pico es claramente inferior para el sistema más rápido pues se adapta más rápido a la variación que supone el termopar en serie entre la tensión de salida de la célula de carga y la entrada al circuito electrónico de procesamiento.

Por lo tanto, a pesar de que por lo general, un sistema rápido supone la presencia de mayor ruido en el sistema, si no se lleva a valores extremadamente veloces, es interesante considerarlos para una rápida compensación del error introducido por el termopar.

Comparativa de ganancias

Por defecto, y todas las valoraciones hechas hasta ahora, son con una ganancia en el PGA de valor 128 (valor máximo). Se va a comparar con el valor mínimo de ganancia 1, con el fin de comprobar alguna diferencia en el comportamiento.

Ganancia=1 vs ganancia=128 con alimentación DC

El sistema de medida con alimentación DC se ve fuertemente influenciado por la presencia del termopar.

Masa (gr) Tensión salida puente (V)

Inicio 996,7388 0,0028193

Fin (muestra 1000) 1831,604 0,0044978

Tabla 35. Rango de valores de masa en el intervalo con caldeo en ON (DC y ganancia=1).

Masa (gr) Tensión salida puente (V)

Inicio (muestra 1001) 1831,604 0,0044978

Fin (muestra 2000) 1219,093 0,0032663

Tabla 36. Rango de valores de masa en el intervalo con caldeo en OFF (DC y ganancia=1).

La reacción del sistema se compara con los extraídos previamente para ganancia =128. Para ello, se vuelven a mostrar las tablas 26 y 27 y la gráfica 38.

Gráfica 38. Evolución de la señal de salida con alimentación DC bajo efecto de termopar aportando tensión adicional.

Masa (gr) Tensión salida puente (V)

Inicio 1034,63 0,0028301

Fin (muestra 1000) 1975,524 0,0047192

Tabla 26. Rango de valores de masa en el intervalo con caldeo en ON (DC y ganancia=128).

Masa (gr) Tensión salida puente (V)

Inicio (muestra 1001) 1975,524 0,0047192

Fin (muestra 2000) 1202,61 0,0031674

Tabla 27. Rango de valores de masa en el intervalo con caldeo en OFF (DC y ganancia=128).

Con la ganancia = 1, el sistema tiene un comportamiento similar a con la configuración de ganancia = 128. Los valores difieren ligeramente, pero puede deberse al propio sistema de calibración. Sin embargo, sí se aprecia que tanto en el intervalo con presencia como en el de ausencia del caldeo, para ganancia mayor y para un mismo número de muestras, las curvas evolucionan con mayor rapidez.

Ganancia=1 vs ganancia=128 con alimentación AC

Ahora, se procede con alimentación AC.

Gráfica 49. Evolución de la medida del peso con alimentación AC con caldeo en ON y OFF, respectivamente, con ganancia =1 (conexión 1).

Se separa las gráficas correspondientes al caldeo en ON y OFF, para apreciar más en detalle el comportamiento del sistema.

Gráfica 50. Evolución de la medida en gramos para caldeo en ON, alimentación AC y ganancia=1 (conexión 1).

Gráfica 51. Evolución de la medida en gramos para caldeo en OFF, alimentación AC y ganancia=1 (conexión 1).

Visualmente, la gráfica para ganancia = 1 es más inestable, pues no presenta la misma disposición “cónica” que con ganancia = 128. Sin embargo, presenta una dispersión máxima inferior, como se puede apreciar en las siguientes tablas (véanse tablas 30 y 31).

Conexión 1 Caldeo ON Ganancia=1

Masa (gr) Tensión salida sistema (mV)

Máximo 1005,324 2,7817

Mínimo 995,5634 2,7621

Valor final 1000,3309 2,7710

Tabla 37. Valores representativos de la señal con caldeo ON para termopar en conexión 1 (ganancia=1).

Conexión 1 Termopar OFF Ganancia=1

Masa (gr) Tensión salida sistema (mV)

Máximo 1004,732 2,7806

Mínimo 996,4508 2,7639

Valor final 1000,592 2,7722

Tabla 38. Valores representativos de la señal con caldeo OFF para termopar en conexión 1 (ganancia=1).

Configuración del filtro digital

Sinc

3

vs sinc

4

Otra comparativa posible que realizar es entre los dos modos de funcionamiento del filtro digital del ADC; esto es, sinc3 y sinc4.

Por defecto, la placa de evaluación opera con el filtro digital en modo sinc4, por lo que esas pruebas ya están valoradas. Por ello, se procede con las mismas pruebas con sinc3 como configuración del filtro.

Gráfica 52. Evolución de la medida del peso con alimentación AC con caldeo en ON y OFF, respectivamente (conexión 1 y configuración sinc3).

La forma de la respuesta es similar para sinc3 y sinc4, pero para apreciar mejor las posibles diferencias, se van a exponer una junto a la otra.

Gráficas 53 y 54. Comparativa del sistema expuesto a termopar con alimentación AC con filtro sinc4 (imagen superior) y filtro sinc3 (imagen inferior). fADC = 10 Hz

Para valorar la diferencia entre ambas configuraciones, se muestran los datos extraídos del sistema cuando está el caldeo activado (cuando se desactiva, el comportamiento es similar

sinc4 (Caldeo ON conexión 1) sinc3 (Caldeo ON conexión 1)

Masa (kg) Tensión (mV) Masa (kg) Tensión (mV)

Máximo 1008,148 2,7769 Máximo 1003,594 2,7665

Mínimo 991,2353 2,7430 Mínimo 996,3669 2,7520

Valor final 999,0884 2,7519 Valor final 1000,86 2,7610

Tabla 39. Comparativa del sistema expuesto a termopar con alimentación AC con filtro sinc4 (izquierda) y filtro sinc3 (derecha).

El sistema con filtro digital sinc4 presenta unos máximos superiores y mínimos inferiores a cuando se trabaja con modo sinc3 en el intervalo de adaptación a la influencia del termopar. A igualdad de frecuencia del ADC, como se ha visto en el apartado Relación entre frecuencias de salida del ADC y del sistema, sinc4 requiere de una salida adicional del ADC respecto sinc3 con alimentación AC por cada muestra del sistema de medida, por lo que la frecuencia de salida de datos también será mayor (la frecuencia del sistema es un 25% mayor para sinc3). Ante una variación abrupta, el que el sistema sea más lento supone que la salida puede alcanzar un valor mayor. Se muestra a continuación con un ejemplo de una función exponencial.

Para modelar la respuesta del sistema en función de la configuración del filtro digital del ADC, se pone un ejemplo con la siguiente curva exponencial:

𝑉𝑂 𝑡 = 1 − 𝑒 −𝑡

𝜏

Suponemos igualdad de frecuencia de salida del ADC para tanto cuando se analice sinc3 como sinc4. Para hacer una valoración de la dispersión, a los valores de la función cuando se produce una salida del ADC en el semiciclo positivo de la señal alterna de alimentación, se le restan los valores pertenecientes al semiciclo negativo y correspondientes a la siguiente salida del sistema de medida. Este procedimiento se puede expresar con las siguientes expresiones en

In document Báscula de pesaje basada en la tarjeta de evaluación EVAL AD7195 (página 104-128)