En la figura 4.1 se presenta el esquema general propuesto para el sistema de control de temperatura; el mismo, extiende su funcionamiento tanto para el dispositivo láser como para el atenuador de señales ópticas, la única diferencia en ambos casos está en la potencia a disipar. Es necesario resaltar la necesidad de realizar la detección de nivel en los contenedores de agua para un correcto funcionamiento del sistema, verificando su disponibilidad; en caso de que no exista agua para realizar el proceso de enfriamiento no se desarrolla el experimento y se emite una alarma.
Figura 4.1: Diagrama general para el control de temperatura.
Como actuadores, se propone utilizar una bomba de agua para garantizar el flujo constante y de esta manera controlar la temperatura, así como el empleo de 2 sensores de temperatura
para su correcto monitoreo. Estos sensores serán colocados uno a la entrada del láser y otro a su salida, el control de temperatura se realizará tomando en consideración las lecturas provenientes del sensor de salida, mientras que el sensor de entrada se tomará como referencia para determinar la viabilidad del sistema o su capacidad real de enfriamiento. Para modificar la temperatura se procederá a variar el flujo de agua circulante por el interior de los dispositivos para lo cual se controlará la operación de las bombas (utilizando PWM variable) de acuerdo con una determinada ley de control. Se propone incluir 1 sensor de flujo colocado de manera tal que se garantice en todo momento el conocimiento de la circulación de agua existente. Seguidamente se procede a explicar y caracterizar cada uno de los componentes propuestos y en epígrafes posteriores se presentan los resultados experimentales obtenidos.
4.1.1. Sensor de temperatura ds18b20
El objetivo fundamental del sistema propuesto es el control de temperatura, de ahí que la primera problemática resulta en la correcta detección de esta, para lo cual se propone el empleo del sensor de temperatura ds18b20, figura 4.2.
Figura 4.2: Sensor de temperatura ds18b20.
El sensor propuesto es un termómetro digital que permite la conversión de la temperatura con una resolución programable de 9 a 12 bits. El sensor utiliza para comunicarse el protocolo bidireccional 1-Wire requiriendo una sola línea para la transmisión de datos; permite realizar mediciones con una precisión de ±0.5 °𝐶 en un rango que comprende desde los −10 °𝐶 hasta los 85°𝐶, de manera adicional, se energiza con una fuente externa o en su defecto empleando el propio bus de datos [35]. En la Tabla 4.1 se presentan las principales características del sensor.
Tabla 4.1: Principales características del sensor ds18b20.
Modelo Ds18b20
Voltaje de funcionamiento 5V
Resolución 9-12 bits
Rango de operación -55ªC a 125ªC
Precisión ±0.5°𝐶 de -10ºC a 85ªC
Este sensor utiliza una lógica maestro-esclavo que permite conectar varios dispositivos al mismo bus de datos, economizando la cantidad de terminales a emplear; para ello utiliza un código de 64 bits que identifica a cada dispositivo de manera única [35] dentro del esquema de control.
En la figura 4.3 se presenta el diagrama a bloques de la estructura interna lógico-funcional del sensor en cuestión. El código de identificación se encuentra almacenado en la memoria interna del mismo, además la memoria contiene 2 bytes para almacenar el valor de temperatura, provee acceso a 2 byte para los registros de alarmas y 1 byte para la configuración de funcionamiento.
Figura 4.3: Estructura interna del sensor ds18b20.
Su principal ventaja está en ofrecer una medición de temperatura digital, permitiendo prescindir de los conversores analógicos-digitales, así como del ruido que afecta a los mismos. El sensor se encuentra calibrado en grados Celsius y el valor de temperatura convertido es almacenado en dos registros de 8 bits con la estructura que se muestra en la figura 4.4, los bits de signo (S) indican si la temperatura es positiva o negativa.
Figura 4.4: Formato del registro de temperatura.
• Para una temperatura positiva S=0 • Para una temperatura negativa S=1
En el epígrafe 2.1.3. Bloque One-Wire se realizó el diseño del firmware necesario para la configuración, selección y operación de este sensor de manera adecuada y su comunicación con el FPGA.
En la figura 4.5 se pude observar la comparación entre los valores de temperaturas obtenidos con el sensor en cuestión y un sensor Lm35 a modo de patrón. Se aprecia que la diferencia
entre uno y otro se encuentra sobre los 0.1 °C por debajo de los errores máximos indicados por el fabricante. Por tanto, resulta adecuado el empleo del sensor ds18b20.
Figura 4.5: Caracterización del sensor ds18b20 utilizando un Lm35.
4.1.2. Sensor de flujo Yf-s201
Para determinar el flujo de agua circulante en el interior del láser y en el interior del atenuador de señales ópticas, se propone utilizar el sensor Yf-s201, figura 4.6, este sensor permite medir de forma general el flujo de un líquido determinado. Esta información será utilizada para una adecuada programación de las alarmas.
Figura 4.6: Sensor de flujo Yf-s201.
El sensor utiliza aspas para medir la cantidad de líquido que se ha movido a través de él. En su interior se encuentra un sensor magnético de efecto Hall, al circular el líquido se genera
un tren de pulsos de salida a una frecuencia proporcional a la velocidad del flujo. Cada pulso corresponde a 2.25 ml, por lo tanto, por cada litro de agua circulante se contarán 450 pulsos. En la Tabla 4.2 se presentan las principales características del sensor utilizado.
Tabla 4.2: Características del sensor de flujo YF-S201.
Tipo de sensor Efecto Hall
Rango de medición 1 a 30 litros/minuto Voltaje de operación 5 a 24 V
Presión máxima 2 MPa
Temperatura de operación -25ºC a 80ºC
Precisión ±10%
Señal de salida Frecuencia = 7.5* caudal (litro/minutos)
Pulsos por litro 450
En la figura 4.7 se presenta el diagrama de flujo del software para la adquisición de los valores de flujo. Una vez que se le solicita al FPGA que entregue el valor del conteo, epígrafe 2.1.4. Bloque de Flujo, este valor es procesado y se determina la cantidad de pulsos por minuto, posteriormente se convierte a 𝑙/𝑚𝑖𝑛 para lo cual se procede a dividir el valor de conteo entre los 450 pulsos por minutos. El valor obtenido es guardado en memoria RAM para su posterior empleo en la sección de alarmas.