5.2. Acondicionamiento
5.2.2. Etapa de amplificación
Para esta etapa montamos un amplificador de instrumentación de ganancia variable ajustable por medio del potenciómetro R2, tal y como se muestra en el siguiente esquemático.
Simulación 1: Salida diferencial e intensidad que atraviesa la PT100 cuando el puente se encuentra
compensado Ti me 0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms V(V+, V-) -I (PT100) 0 2. 0m 4. 0m
Simulación 2: Salidas diferenciales correspondientes a valores equiespaciados del rango de variación
óhmica [110,140] Ti me 0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms V(V+, V-) 0V 50mV 100mV
Si analizamos este circuito considerando amplificadores operacionales ideales tenemos que la ganancia del mismo, viene dada por la ecuación:
G=−1R1R3
R2
Entonces, con este circuito podríamos tener ganancias desde 41 para R2 = 500 Ω, hasta de más de 400. Lo que nos permite trabajar con señales de hasta 250 mV sin sobrepasar los 10 V de salida.
En la figura siguiente podemos ver una simulación del circuito, realizada en ORCAD, en la que se ha tomado una R2 = 220 Ω y una señal de entrada senoidal de 1 kHz y 100 mV de amplitud.
Simulación 3: Señales de entrada y salida de un AI de ganacia G=92 Ti me
0s 0. 5ms 1. 0ms 1. 5ms 2. 0ms 2. 5ms 3. 0ms
V(VAI N+) V(VAOUT) -10V
0V 10V
5.2.3. Etapa de filtrado
La tarjeta de adquisición de la que disponemos en el laboratorio (NI USB-6008 DAQ) posibilita la captura de una entrada analógica a 10 kS/s, por lo tanto, sabemos por el teorema de muestreo de Nyquist que evitaremos el aliasing con un filtro paso bajo de frecuencia de corte inferior a 5 kHz (filtro Antialiasing para una entrada analógica con esta tarjeta de adquisición).
Para el filtrado de la señal proporcionada por este sensor, optamos por un filtro activo paso bajo de primer orden, con frecuencia de corte de 50 Hz (frecuencia de corte típica para medidas con sensores analógicos)3.
Si analizamos este circuito considerando que el amplificador operacional es ideal tenemos que su función de transferencia viene dada por:
G s=−
R2
R11 R2C s
Como queremos una ganancia 1, igualamos las resistencias, y como queremos una frecuencia de corte (
∣G s∣=−3 dB
) de 50 Hz y disponemos de un condensador de 100 nF, entonces:R=
1
C 2 fc=31831
En la figura siguiente podemos ver una simulación del circuito montado, realizada en ORCAD.
3 Permite apreciar variaciones cada 20 ms. Mucho más que suficiente para mediciones de
Esquemático 3: Filtro activo paso bajo de primer orden y frecuencia de corte 50 Hz
Alternativa
Como alternativa se presenta la opción de utilizar un filtro paso bajo de segundo orden, que en este caso presenta una frecuencia de corte de 100 Hz.
Simulación 4: Diagrama de amplitud de Bode de filtro paso bajo con fc = 48 Hz Frequency
100mHz 1. 0Hz 10Hz 100Hz 1. 0KHz
DB(V(VFout)/V(VFi n)) -40
-20 0
Esquemático 4: Filtro activo paso bajo de segundo orden y frecuencia de corte 100 Hz
Simulación 5: Bode correspondiente al filtro con fc = 100 Hz Frequency
1. 0Hz 10Hz 100Hz 1. 0KHz 10KHz
DB(V(Vout)/V(Vi n)) -100
0 100
5.3. Adquisición de datos
5.3.1. Temperatura
6. ¿Cómo funciona el Segway?
6.1. Introducción
Hace unos años apareció un vehículo de transporte personal llamado Segway que prometía la revolución, pero que sin embargo se quedó en un artículo de lujo para Geeks, debido a su elevado precio.
Independientemente de esto, representa un alarde tecnológico para dar solución a un problema muy interesante, ¿cómo mantiene la estabilidad un vehículo de tan solo dos ruedas?
6.2. ¿Qué es el Segway?
El Segway es un vehículo de transporte personal, de reducidas dimensiones y alta movilidad, que gracias a su configuración monoeje diferencial le permite disponer de un radio de giro cero.
De este modo se tiene un vehículo cuya tracción y dirección se encuentra en un mismo eje.
6.3. ¿Cómo se maneja?
Toda la maniobravilidad de este vehículo no sería lo mismo si no fuese porque el avance y el retroceso se controla mediante la simple inclinación del cuerpo, hacia adelante y hacia
atrás, deteniéndose cuando la persona se encuentra erguida.
Un manillar, que sirve como apoyo en posiciónn normal, permite el giro gradual del vehículo según se incline a derecha o a izquierda según el giro que se desee.
6.4. ¿Cómo funciona?
Ahora bien, la pregunta es cómo funciona, mejor dicho, ¿cómo mantiene la estabilidad si sólo dispone de un eje?
Dando por hecho que la posición inicial fuese la de equilibrio sobre el vehículo, se tiene
que, cuando la persona se incline se producirá un desplazamiento de su centro de gravedad que provocará la aparición de un par que hará que la plataforma gire sobre el eje de las ruedas, produciéndose la caída.
Aquí llega la hora de plantearse las dos situaciones en las que se debe resolver el problema, en parado y en movimiento. Y es cuando me planteo las posibles soluciones.
– En parado ... ¿por compensación de par? – En movimiento ... ¿por compensación de
velocidad angular? En parado
Cuando el vehículo se encuentra parado, si descansase libremente sobre el eje de las
ruedas, se caería, salvo en el caso improbable de que por algún extraño milagro encontrase una posición de equilibrio inestable, donde el centro de gravedad de la máquina se encuentra alineado en la vertical.
Por ello, los motores han de establecer un cierto par que evite que el vehículo gire sobre el eje.
En movimiento
Cuando la persona se inclina hacia adelante se caería, pero si el vehículo produce un movimiento de avance se corrige la desalineación del centro de gravedad de la persona respecto a la vertical, impidiendo que esta caiga y haciendo que el vehículo avance, y lo mismo hacia atrás.
Así, se tiene que al girar las ruedas se compensa el par de vuelco y se produce el movimiento de avance, al igual que una persona al andar mueve las piernas tras haberse inclinado levemente .
6.5. Conclusión
Se tiene entonces que, para mantener la estabilidad, antes de que las ruedas empiecen a rodar se debe controlar el par que ejercen los motores, mientras que al empezar a girar hay que controlar la velocidad de giro, lo que además provoca el movimiento.
Y aunque todo esto sólo son conjeturas extraídas partiendo de la única base de la información disponible en la página web oficial del producto (http://www.segway.es), parece razonable el elevado precio del producto, dado el esfuerzo de control requerido para su funcionamiento y el fuerte I+D para su desarrollo.