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Circuitos para Telemetría (TEL005S)

Transmitir informaciones como temperatura, intensidad de luz, velocidad de viento, pH, presión, nivel de un líquido, a distancia sin usar medios materiales, es un problema de telemetría. Si el lector es investigador científico, o técnico avanzada, puede estar en situaciones en que se haga necesario un sistema simple de telemetría. Hasta para los sectores ajenos a la electrónica, la posibilidad de transmitir, con pocos recursos, informaciones obtenidas a partir de transductores, resulta muy atrayente e importante. El tema de este artículo es cómo lograr eso, para lo que damos diversos circuitos prácticos de funcionamiento comprobado y de bajo costo.

Muchos de los circuitos dados se pueden usar como shields (interfaces) para microcontroladores en proyectos más modernos. Lo articulo es de 1988.

 

La palabra "telemetría" define su finalidad (tele = distancia, y metria = medir).

Medir cosas a distancia es la finalidad de la telemetría, que mediante recursos electrónicos nos permite transmitir informaciones numéricas a distancia, sin necesidad de un medio material.

Existen diversas ocasiones en que puede ser útil un sistema de telemetría.

Podemos dar como ejemplo un caso de investigación científica en que es necesario tomar periódicamente la medida de la temperatura de un lugar de difícil acceso, o también la de controlar el nivel del agua en un pluviómetro (medidor del nivel de lluvia).

En lugar de que el investigador tenga que trasladarse hasta el lugar a intervalos regulares, un dispositivo telemétrico transmite por ondas de radio o haz de luz modulado, las informaciones deseadas, que se anotan en la estación receptora. (Figura 1)

 

Figura 1
Figura 1

 

Un caso sería la medida de la temperatura y salinidad en diversos lugares de una bahía, que se efectúa por medio de sensores colocados en boyas.

En la práctica los investigadores están obligados a trasladarse de boya en boya a intervalos regulares para anotar las medidas. El trabajo puede tornarse desagradable en caso de frio y lluvia. (Figura 2)

 

Figura 2
Figura 2

 

La solución telemétrica sería la instalación de un transmisor que, automáticamente en intervalos regulares, pudiese transmitir la información obtenida mediante los sensores, y que ésta se recibiera en el local confortable del laboratorio o en un barco base anclado en lugar apropiado. (Figura 3)

 

Figura 3
Figura 3

 

Citamos estos ejemplos pues Ia elaboración de un sistema telemétrico con el alcance necesario, que no supere los 1 o 2 kilómetros, tiene soluciones relativamente simples con resultados bastante confiables.

 

La idea básica de un sistema telemétrico

Los sensores usados para medir la temperatura, presión, intensidad de luz, etc. pueden ser del tipo resistivo, o generar una pequeña tensión.

Entre los sensores resistivos podemos citar los NTC (temperatura), los LDR (luz), y entre los que proporcionan una tensión, las fotocélulas y los anemómetros (pequeñas dínamos).

El problema principal que tenemos es el de enviar, por medio de una señal de radio o luz, informaciones sobre el valor de la resistencia o la tensión recibidas por el sensor en un instante determinado, para que podamos convertir ese valor en la magnitud deseada (temperatura, presión, velocidad, nivel, etc.).

Un sistema de telemetría eficiente debe hacerse en forma tal que no haya posibilidad de que se produzcan variaciones de comportamiento de los circuitos que se reflejen en los valores transmitidos.

Si usamos la tensión de un foto-sensor por ejemplo, para controlar la intensidad de la señal emitida, habiendo una relación entre ambas que pueda medirse, no tendremos un sistema confiable.

La intensidad de la señal puede variar en función de la distancia del transmisor y del estado dela batería que la alimenta, eso para no hablar de una eventual sintonía deficiente del receptor. (Figura 4)

 

Figura 4
Figura 4

 

Una manera de evitar este tipo de problema es el empleo de una magnitud en la transmisión que no sea afectada por la distancia existente entre el transmisor y el receptor, ni por las características de los circuitos utilizados.

Podemos lograr eso con la conversión del valor de la magnitud medida en frecuencia, o sea que usamos en la salida de un transductor (analógico) un conversor analógico /digital. (figura 5)

 

Figura 5
Figura 5

 

La recuperación de la información se hace por medio de un conversor digital/analógico, o bien se lee directamente en un frecuencímetro y se hace la conversión de valores en tablas.

En la figura 6 damos la disposición simplificada para la transmisión de temperaturas.

 

Figura 6
Figura 6

 

El sensor, un NTC, controla la frecuencia de un oscilador (conversor analógico/digital) lineal. La frecuencia, que depende directamente dela temperatura, modula la señal de un pequeño transmisor.

La señal es captada por un receptor convencional, extrayéndose solamente la información referente a la frecuencia de la modulación.

La información puede leerse directamente en un frecuencímetro, o bien integrarse y leerse en un medidor analógico.

Una vez hecha la sintonía correcta del receptor, no influirán en la lectura ias interferencias comunes a distancia ni las variaciones de tensión en los circuitos.

Es claro que, como medida de seguridad, el transmisor puede emitir en forma alternada la señal del sensor y la señal de un resistor patrón que sirva para calibrar la escala del receptor. (figura 7)

 

Figura 7
Figura 7

 

Lo interesante de este sistema simple es que pueden usarse pequeños transmisores para la banda de 11 metros y hasta para FM /VHF, en conjunto con radios comunes, en la transmisión de datos en distancias entre 50 y 2.000 metros (o más en mar abierto).

Para el uso práctico, bastará entonces con "calibrar" en el laboratorio el sistema, haciendo una tabla de correspondencia entre la frecuencia emitida y la magnitud proporcionada por el transductor.

Ahora pasemos a la parte práctica, ¿Cómo hacer un sistema simple y útil para transmitir informaciones a distancia?

 

Circuitos Prácticos

La idea básica es convertir la información de un transductor cualquiera en frecuencia y después, en el receptor, convertir la frecuencia, de nuevo, en información.

En principio, el transmisor puede ser de cualquier tipo y el receptor de cualquier clase que reciba las señales del transmisor.

Podemos usar un pequeño transmisor de FM /VHF y una radio común de FM o modificada para VHF en distancias hasta de 1 kilómetro.

Podemos usar un transmisor portátil, del tipo para auto, para la banda de 11 metros (PX) y como receptor, una radio de la misma banda; en ese caso aumentará el alcance a distancias que dependerán de la propagación y de la geografía.

Comencemos entonces por dar los convertidores y los circuitos de recepción.

 

1. Convertidor A/D con Unijuntura para Sensores Resistivos.

El circuito presentado en la figura 8 puede emitir señales en la banda de 50 Hz a 4 kHz aproximadamente, según la resistencia de! sensor varie en la banda de 1 k a 1M.

 

Figura 8
Figura 8

 

Podemos usar como sensor un LDR para medir la intensidad de la luz incidente, o indirectamente, como por ejemplo en la medida de cambio de tonalidad, de sustancias químicas, de transparencia o en la detección de Rayos X.

Podemos usar un NTC para medir la temperatura o cualquier otro sensor.

En este punto damos algunas sugerencias sobre el uso de sensores, específicamente el utilisimo LDR.

En la figura 9 damos tres tipos de aplicaciones para investigación, en el que el LDR se convierte en el elemento fundamental de los transductores capaces de detectar variaciones de diversas magnitudes.

 

Figura 9
Figura 9

 

En el primer caso, el LDR actúa como sensor de tonalidad de un elemento impregnado con una sustancia química, La variación de tonalidad resulta en cambio de la reflexión d la luz, caso en el que podemos detectar a distancia las variaciones de pH, presencia de ciertas sustancias, polución, etc.

En el segundo caso, el LDR se usa para detectar variaciones de la limpidez de una solución. La ocurrencia de estas reacciones y la velocidad a la que se efectúan puede medirse en términos de variación de la frecuencia transmitida por la acción del LDR en el circuito.

Finalmente tenemos un raro sensor de Rayos X que utiliza un botón luminoso de interruptor, que contiene sales fosforescentes y un LDR.

Montado el LDR contra el material fosforescente, y colocados ambos en una cámara escura (envueltos en hoja de aluminio aislada), el LDR detecta cualquier pequeña emisión de luz del material, la que ocurre cuando los Rayos X inciden en él (los Rayos X atraviesan el Aluminio) y no ocurre con la luz u otras radiaciones.

Un interesante dosímetro de Rayos X puede hacerse con este tipo de sensor.

Cambiando el valor de C1 se puede modificar la banda de actuación del convertidor según las características del sensor usado.

En este circuito, la estabilidad de la frecuencia en función de la tensión de alimentación, es excelente. Una variación del 10% en la tensión de alimentación produce una variación de la frecuencia de sólo 1%, y si eso fuera mucho, aconsejamos el uso de una fuente estabilizada.

En la figura 10 se muestra el uso del 7806 y el 7812 para obtener una tensión estabilizada de 6 ó de 12V con pilas o batería. El 7806 y el 7812 permiten una corriente máxima de 1A de salida.

 

Figura 10
Figura 10

 

 

2. Convertidor A/D con Unijuntura para Sensores por Tensión

El circuito de la figura 11 emplea un transistor 2N2646 y además un BC548,

La banda de frecuencias se sitúa entre 500Hz y aproximadamente 4.000 Hz, según la tensión de entrada varíe entre 0,6V y el valor máximo determinado por R1.

 

Figura 11
Figura 11

 

Para tensiones hasta de 10V de entrada el resistor R1 puede estar entre 100k y 220k. Para tensiones hasta 100V el resistor puede estar entre 1M y 2M2.

Vea que a medida que la tensión de entrada aumenta, el transistor junto con R2 constituyen un divisor que reduce la tensión de carga de C1, junto con una disminución de la frecuencia.

En este caso, la frecuencia de salida aumenta cuando disminuye la tensión, cosa que hay que tener en cuenta.

Si la tensión de salida del transductor fuera inferior a 1V debe usarse un circuito amplificador.

La figura 12 muestra un circuito interesante de transductor capacitivo. La frecuencia de salida de este circuito depende de la capacitancia presentada por el sensor.

 

Figura 12
Figura 12

 

Una aplicación posible de este circuito es la de sensor de posición (dirección del viento o corriente de agua) y también como balanza electrónica de precisión. (figura 13)

 

Figura 13
Figura 13

 

Es importante observar la polaridad de la señal de entrada para que el circuito funcione correctamente,

 

3. Convertidor A/D regulable con Unijuntura

El circuito presentado en la figura 14 utiliza un unijuntura y un transistor PNP de uso general BC558 que posee dos ajustes.

 

Figura 14
Figura 14

 

El primer ajuste es el punto de funcionamiento, es decir, de la tensión en la que comienza a actuar el sistema (P1 = 100k). El segundo es el de los limites de frecuencia, dados por el potenciômetro de 10k.

La banda de frecuencias de este circuito es prácticamente la misma de los anteriores, pudiendo cambiarse C1 según las necesidades.

Las experiencias demuestran que, para la transmisión de datos via canal común de radio y la frecuencia máxima no debe superar los 5kHz en AM y eventualmente los 10kHz en FM /VHF.

 

4. Doble Transmisor de Datos con el 555

En la figura 15 tenemos un interesante circuito transmisor de datos para transductores resistivos (NTC, LDR, etc.) que usa dos integrados 555.

 

Figura 15
Figura 15

 

Puede decirse que se trata de un sistema "multiplex" simple con dos canales de informaciones disponibles.

Su funcionamiento puede analizarse de la siguiente manera: el primer integrado 555 da el ritmo de alternancia de los datos transmitidos, con duraciones distintas para que, mediante ellas se sepa cuál de los transductores está siendo activado en cada instante.

Es así que tenemos un relé que conecta alternadamente la entrada y un resistor patrón de 22k.

Cuando la entrada se conecta, Ia frecuencia de! segundo oscilador 555 es determinada por la resistencia del sensor. Cuando la resistencia patrón se conecta, la frecuencia se estabiliza sirviendo para el ajuste del receptor.

Es claro que en lugar de la resistencia patrón podemos conectar un segundo sensor resistivo.

En la figura 16 damos una sugerencia de placa de circuito impreso para este montaje.

 

Figura 16
Figura 16

 

La salida debe conectarse a la entrada del micrófono o modulación del transistor utilizado.

La alimentación puede hacerse con una batería de 6 V ó fuente regulada, también a partir de batería si se usara en forma móvil.

Se puede intercalar entre la alimentación y este circuito (o cualquiera de los anteriores) un timer o temporizador para conectar y desconectar e! sistema a intervalos regulares. Para eso damos el "timer“ siguiente:

 

5. "Timer" 555

El circuito de la figura 17 usa un solo 555 en la conmutación de un relé.

 

Figura 17
Figura 17

 

Los tiempos de acción e intervalo son diferentes y están dados por el resistor de carga (ajustable P1 + R1) y por el resistor de descarga (R2).

Para un capacitor de 100 µF y los demás componentes, como muestra el circuito, tenemos un intervalo mínimo entre emisiones de 22 segundos y un intervalo máximo de 90 segundos.

La duración de cada emisión es de 6,9 segundos aproximadamente.

Se puede aumentar C1 para tener hasta 470 µF, y, para una emisión más larga, aumentar R2 para 220k, por ejemplo.

 

6. El Receptor

¿Cómo se hace la lectura de una magnitud transmitida? Partiendo de un receptor común de audio tenemos que "trabajar" la serial recibida para poder aplicaría en un sistema de lectura, si no tuviéramos la posibilidad de conectar todo a la entrada de un frecuencímetro. (figura 18)

 

Figura 18
Figura 18

 

La entrada en este circuito puede obtenerse en forma directa dela salida del fono de un receptor (FM /VHF u otro).

Los impulsos de audio se aplican a un multivibrador monoestable con el 555, que los transforma en pulsos de duración constante. La duración de estos pulsos está dada por el ajuste de P1 en función de R4 y C3.

Entonces es posible integrar esos pulsos en la red formada por R5/R6 y C5/C6 de modo de obtener en la salida una tensión proporcional a la frecuencia.

El limite de frecuencia (máxima) está dado justamente por el tiempo de duración de cada pulso.

fmáx = 1/t

Donde:

t = 1,1 x R x C - constante del monoestable 555

f máx = frecuencia máxima medida en hertz.

La alimentación puede hacerse con una tensión de 6V ó 9V, preferiblemente estabilizada.

En la salida de este circuito podemos conectar tanto un multímetro digital como analógico.

En la figura 19 tenemos una placa de circuito impreso de este receptor.

 

Figura 19
Figura 19

 

Este transmisor opera en la banda de FM ó VHF con antena telescópica lo que permite el uso de receptores portátiles comunes.

 

7. Transmisor

Una idea de un transmisor simple que puede transmitir informaciones de un sensor a una distancia hasta de 100 metros se muestra en la figura 20.

 

Figura 20
Figura 20

 

En campo abierto, con una alimentación de 12V, el alcance puede llegar a los 500 metros 6 más.

La modulación se produce en la frecuencia y puede provenir de cualquiera de los circuitos que presentamos.

La bobina L1 está formada por 4 ó 5 espiras de alambre barnizado grueso (22 o 20)* con un diámetro de 1 cm, sin núcleo. Para VHF Ia bobina se reduce a 2 ó 3 espiras del mismo alambre en la misma forma.

(*) 0,6438 ó 0,8118 mm de diámetro. Ver Lo que Usted Debe Saber Sobre Alambres Barnizados" – artículo en el sitio.

 

8. Transmisor II

Tenemos finalmente un transmisor más potente que, en campo abierto, en la banda de FM 0 VHF, puede llegar hasta 1 kilómetro, (figura 21)

 

Figura 21
Figura 21

 

La antena se conectará al colector del transistor o, para mayor estabilidad, en una toma entre 1/3 y 1/2 de la bobina.

El transistor oscilador es un BF494 más un 2N2222 que se utiliza en la amplificación de esta señal, con una alimentación de 12V. Debe usarse un 2N2222 “metálico" con un pequeño disipador, o si no el 2N2218.

El reactor de 100 mH no es crítico. Si falta puede reemplazarse por un bobinado en una pequeña varilla de ferrite de 2 ó 3 mm, unas 50 o 60 vueltas de alambre barnizado 28 (0,321 1 mm de diámetro).

 

Un Sistema Completo

En la figura 22 tenemos, en bloques, un sistema completo bastante interesante que puede usarse en investigaciones de campo.

 

Figura 22
Figura 22

 

En el sistema emisor tenemos los circuitos A/D conectados a los sensores.

Podemos usar e! sistema doble (dos sensores) para sensores resistivos.

Estos sistema se conectan a un pequeño transmisor que puede ser el ! ó el ll, según el alcance y el timer.

En intervalos regulares se transmite la información sobre los dos sensores.

El receptor es una radio común de FM sintonizado en un punto libre de la banda, para la que está ajustado el transmisor.

En la salida del receptor tenemos el circuito integrado y un multímetro digital en la escala de 20 volts.

 

Nota: puede ser usado un microcontrolador como el Arduino en una versión más moderna.

 

Previamente se han construido las tablas de lecturas para los sensores de modo que tenemos la conversión de las magnitudes leídas en las magnitudes deseadas.

Es posible perfeccionar el sistema. Como idea sugerimos el empleo del 4017 con un "clock" lento que permita la lectura en ciclos de hasta 10 sensores.

Los datos modularán el transmisor y serán recibidos a distancia en forma simple. Uno de los 10 canales puede ser una frecuencia fija que sirva de patrón y de señalador de la iniciación del ciclo. Sistemas Infrarrojos

Para distancias cortas (hasta 20 6 30 metros), la transmisión de información de un sensor puede hacerse por medio de rayos infrarrojos.

En la figura 23 tenemos un transmisor muy simple cuya frecuencia de modulación de radiación infrarroja es función de la resistencia del transductor resistivo utilizado.

 

Figura 23
Figura 23

 

Como tenemos un ciclo activo muy pequeño en relación al intervalo medio de los pulsos, podemos tener una corriente de pico elevada en el foto emisor infrarrojo, lo que garantiza una buena potencia y, con ella, un buen alcance.

EI receptor puede ser el de la figura 24 en la que conectamos directamente un fototransistor en ia entrada de un 555 monoestable.

 

Figura 24
Figura 24

 

El mismo circuito puede usarse en conjunto con un amplificador de audio como se muestra en la figura 25.

 

Figura 25
Figura 25

 

Para un mejor desempeño, deben emplearse dispositivos auxiliares ópticos para concentrar la luz emitida en una dirección, y también para reunir la mayor cantidad posible de radiación captada sobre el sensor.

Aconsejamos el uso de lentes convergentes para ese fin.

El foto-emisor puede ser de cualquier tipo de infrarrojo y e receptor puede ser un fototransistor común, ya que ia mayoría tiene sensibilidad para esa banda en grado suficiente para permitir una operación satisfactoria.

 

 

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