Acondicionador de Temperatura de Termopar tipo K AT-7C, para el Transmisor de Temperatura TIT-2007-V01

Aplicación:

· Sensado de Temperatura Remota

Características:

· Ajuste de Cero y Spam manual
· Resolución de 10mV/ºC
· Tensión de Alimentación de 5v
· Salida de Voltaje Lineal de 0 a 4.5v

Especificaciones de entrada:

· Tipo de sensor: Tipo K
· Rango de medición: de 0 a 300ºC. (limitado a 100ºC por las características de transmisión y visualización del TIT-2007-V01)

Descripción General de Funcionamiento:

El acondicionador de señal AT-7C, para termopares tipo K está constituido por el circuito integrado AD595, que adquiere la señal proveniente del termopar, y de un amplificador operacional LM741. El integrado AD595 provee una compensación de junta fría y una salida de 10mV/ºC la cual entrega al amplificador operacional LM741 que agrega un spam y ajuste a cero además amplifica la señal hasta un máximo de 4.5V de manera lineal. En la siguiente figura se muestra el diagrama en bloques del acondicionador AT-7C.

La señal obtenida de este acondicionador es aplicada a un amplificador de corriente y a el integrado IC57107, estos complementan el transmisor de temperatura TIT-2007-V01 y permiten la transmisión de corriente y visualización del mismo. El amplificador de corriente tiene una configuración de corriente en espejo y arroja a su salida una señal con un rango de 4 a 25mA. El integrado IC57107 adquiere la señal del acondicionador con un conversor análogo digital de 3 dígitos y con salida en código 7 segmentos para la visualización de temperatura de 0 a 100ºC. Para mayor información de las etapas que complementan el transmisor de temperatura TIT-2007-V01 revisar el blogg: Mediciones Industriales.
La alimentación del acondicionador (5V, GND) proviene de la regulación interna de voltaje del transmisor de temperatura TIT-2007-V01.

Ajuste del Acondicionador AT-7C

Este se logra por medio de los siguientes pasos:

· Inyectar una señal de 0V al integrado AD595 en su terminal #9
· Observar que la salida del LM741, terminal #6, sea de 0V. En caso de no cumplirse la condición; ajustar el potenciómetro de ajuste a cero del LM741 conectado entre sus terminales 1 y 5(potenciómetro de 10KΩ) para ajustar la salida a 0V.
· Inyectar una señal de 1V al integrado AD595 en su terminal #9
· Observar que la salida del LM741, terminal #6, sea de 3V. En caso de no cumplirse la condición; ajustar el potenciómetro de spam del transmisor (común al LM741) para regular la salida a 3V.

Para verificar el resto de las lecturas tomo como referencia la siguiente tabla:

Verificación de Funcionamiento del Acondicionador con el Termopar Tipo K

Debe conectarse el sensor de medición al integrado AD595. Luego se somete el termopar a una temperatura que debe ser conocida por medio de un instrumento (termómetro) y se observa a la salida del LM741 su correspondiente nivel de voltaje, y se ajusta a través de los potenciómetros de CERO y SPAM en caso de ser necesario.

DIMENSIONES

Dimensiones del TIT-2007-V01, en el cual está incorporado el acondicionador AT-7C, las dimensiones están dadas en centímetros.

Medidas en cm. del TIT-2007-V01.

CONEXIONES

La conexión de las señales al TIT-2007-V01 y desde este, se realiza a través de borneras extraíbles. Su ubicación se muestra en la siguiente figura:

Ubicación de las borneras para la conexión de las señales.

Para una conexión adecuada debe tomarse las siguientes recomendaciones:

• Verificar el estado del cableado.

• Al realizar la desconexión de los bornes, sujetar el transmisor para evitar forzar las uniones del borne a la placa lo menos posible.

• Ajustar la conexión en los bornes a justa presión, para no quebrar los mismos.

El siguiente diagrama muestra la conexión a los elementos externos del transmisor:

Diagrama de conexión para el funcionamiento del TIT-2007-V01

CARACTERISTICAS DE LA CAJAEl TIT-2007-V01

esta montado dentro de una estructura de material acrílico, con frontal transparente para la observación de los elementos de ajuste. Posee orificios laterales para permitir el acceso a los elementos de ajuste y prueba del equipo.En la parte posterior posee un elemento de enganche para su montaje.


DIAGRAMA ELECTRONICO DEL TIT-2007-V01

SENSORES AUTORRESONANTES

Los sensores basados en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencímetro-contador para medir buen la frecuencia o bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación. La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados.En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento. Por ejemplo, de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero.Es importante observar que si bien la ausencia de convertidor A/D hace innecesaria una tensión de referencia estable para medir la salida de estos sensores, no por ello es posible medir una magnitud absoluta la frecuencia del oscilador sin tener otra magnitud de referencia bien conocida, en este caso el oscilador del que se obtiene la base de tiempos del contador con que se mida la frecuencia. Este oscilador de referencia será generalmente de cristal de cuarzo y tendrá derivas con el tiempo y la temperatura.Las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debido a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo, que decrecen con el tiempo, y que varias después de ciclos térmicos, y a los cambios de masa del cristal por absorción o desorción de contaminantes dentro del encapsulado. La curva de envejecimiento (Af/f) es exponencial al principio y lineal al cabo de meses. Por eso los cristales de precisión se dejan envejecer antes de su instalación. Las derivas térmicas son el fundamento de los termómetros digitales de cuarzo y tienen forma de “S” tumbada. Su valor depende del angulo de corte. El corte más estable, en un margen de temperatura pequeño, es el de 35º 13`, pero en el margen de 0 a 50º C, el normal en frecuencimetros, el corte más estable es el AT: 35º 15`. Para mantener al cristal termostatazo, se dispone en un horno cuya temperatura sea unos 20º C mayor que la temperatura de funcionamiento, tal que el cristal presente una sensibilidad mínima a dicha temperatura.

Principio de funcionamiento de los sensores SAW

Sensores basados en dispositivos de ondas superficiales (SAW)

Las ondas superficiales en la superficie de un líquido al producir en ella una perturbación, se producen también en la superficie de los sólidos. Lord Rayleiigh analizó estas ondas en 1885 y las aplico a la interpretación de los sismogramas. Aunque estas ondas son distintas en los sólidos que en los líquidos, en ambos casos se atenúan con la profundidad.Una forma de producir una perturbación en la superficie de un sólido, ciertamente mucho menos convulsiva que los terremotos, consiste en disponer dos electrodos metálicos interdigitados en la superficie de un material piezoeléctrico, como muestra la figura 1.
Figura # 01. Sensores Saw

Si la distancia entre los electrodos es d, cuando se aplica una tensión alterna de frecuencia f entre los electrodos, se genera una deformación superficial que se propaga en ambas direcciones en forma de onda superficial y cuando v=2fd. Otro par de electrodos similar dará una tensión alterna de salida en cuando llegue a él la onda de deformación del material.Los elementos principales de un grupo de sensores SAW son los propios sensores SAW (OAS-Ondas Acústicas Superficiales). Ellos son implantados en una plaqueta de circuito electrónico con caminos conductores integrado y canal de flujo.Los sensores SAW con ondas transversales (shear waves) de superficie polarizada horizontalmente pueden ser operados en el agua. El principio operacional se muestra en la Figura 1.Una tensión alterna de alta frecuencia en los transductores interdigitales crea una onda acústica de superficie en el substrato piezo eléctrico.Esa onda se propaga para los transductores interdigitales al lado izquierdo donde se transforma de vuelta en una señal eléctrica.La integración del sensor SAW en un circuito oscilador lleva a una oscilación con una frecuencia de resonancia específica, donde los efectos de la atenuación y del cambio de fase son ajustados. Esa frecuencia es la señal de salida. Es altamente sensible a la presencia de cualquier masa o alteraciones de viscosidad causadas por interacciones con la superficie del sensor.
Construcción de un sensor SAW de aplicado a la biomedicina.Construir un biosensor con dispositivos SAW significa revestirlos con camadas diferentes para homogeneizar superficies, suprimir absorción no específica y proveer una camada intermedia para la inmovilización suave de moléculas receptivas. Para evitar que las moléculas receptivas como anticuerpos, oligo nucleótidos y otros sean damnificadas durante la unión a la superficie, utilizamos una camada intermedia de dextran. El dextran proporciona condiciones de reacción blandas durante la inmovilización y permite utilizar inmovilización tridimensional de receptores, lo que también resulta en una concentración mayor del receptor por cm² de lo que las monocamadas clásicas pueden proveer.Dependiendo de la concentración en la superficie de lugares de unión anti ureasa libres, la señal muestra un comportamiento diferente.En bajas concentraciones de la sustancia a analizar (ureasa), el cambio de frecuencia medida disminuye linealmente mientras la inclinación de la curva de unión es una medida de la concentración de sustancia a ser medida.En altas concentraciones de ureasa, el comportamiento de saturación es observado hasta ser alcanzado el cambio máximo de frecuencia de cerca de 20 kHz. Además de eso, se puede observar fácilmente que absorciones no específicas, como las estimuladas por la incubación con BSA - (Albúmina de Suero Bovino), son reversibles y también despreciables considerando la alteración de la diferencia observada durante la inmuno reacción de ureasa y anti ureasa inmovilizada. Reducir el volumen de las células mejora el desempeño del biosensor.Evitando los cables de ligación y conectando los sensores SAW de forma capacitiva y placa electrónica, fue obtenida una reducción del volumen de las células de 50 µl para aproximadamente 60 nl por sensor.La miniaturización no solo reduce el consumo de la muestra sino que también permite el acceso a la integración de más funciones en un área de substrato determinada. En ese sentido, la paralelización de los biosensores SAW es altamente soportada por un proyecto microfluídico integrado con tecnologías de micro fabricación de polímero posibilita el acceso a componentes bastante baratos, pues los polímeros constituyen uno de los materiales de menor precio que se puede pensar para la construcción de microsistemas.El concepto de un dispositivo médico basado en biosensores SAWEn términos de desarrollo de un dispositivo médico, los económicos híbridos de polímero SAW deberán ser proyectados como componentes de uso único para proveer sistemas estériles y también dedicados. "Dedicado" significa proveer cartuchos (y protocolos) específicos para aplicación o para la enfermedad que podrían ser descartables. Esos cartuchos podrán contener solamente de 2 a unos 8 biosensores SAW pre condicionados para permitir la detección de moléculas específicas como proteínas marcadoras de diagnóstico o secuencias de DNA, aún en exámenes complejos como de sangre, suero u otros líquidos biológicos.De modo general, el concepto básico permite la detección de casi toda enfermedad si hubiera moléculas específicas como marcadores de diagnóstico y receptores específicos altamente correspondientes disponibles que puedan ser anexados a la superficie del sensor.

Construccióin de sensores saw

Construcción de un sensor SAW de aplicado a la biomedicina

Construir un biosensor con dispositivos SAW significa revestirlos con camadas diferentes para homogeneizar superficies, suprimir absorción no específica y proveer una camada intermedia para la inmovilización suave de moléculas receptivas. Para evitar que las moléculas receptivas como anticuerpos, oligo nucleótidos y otros sean damnificadas durante la unión a la superficie, utilizamos una camada intermedia de dextran. El dextran proporciona condiciones de reacción blandas durante la inmovilización y permite utilizar inmovilización tridimensional de receptores, lo que también resulta en una concentración mayor del receptor por cm² de lo que las monocamadas clásicas pueden proveer.Dependiendo de la concentración en la superficie de lugares de unión anti ureasa libres, la señal muestra un comportamiento diferente.En bajas concentraciones de la sustancia a analizar (ureasa), el cambio de frecuencia medida disminuye linealmente mientras la inclinación de la curva de unión es una medida de la concentración de sustancia a ser medida.En altas concentraciones de ureasa, el comportamiento de saturación es observado hasta ser alcanzado el cambio máximo de frecuencia de cerca de 20 kHz. Además de eso, se puede observar fácilmente que absorciones no específicas, como las estimuladas por la incubación con BSA - (Albúmina de Suero Bovino), son reversibles y también despreciables considerando la alteración de la diferencia observada durante la inmuno reacción de ureasa y anti ureasa inmovilizada. Reducir el volumen de las células mejora el desempeño del biosensor.Evitando los cables de ligación y conectando los sensores SAW de forma capacitiva y placa electrónica, fue obtenida una reducción del volumen de las células de 50 µl para aproximadamente 60 nl por sensor.La miniaturización no solo reduce el consumo de la muestra sino que también permite el acceso a la integración de más funciones en un área de substrato determinada. En ese sentido, la paralelización de los biosensores SAW es altamente soportada por un proyecto microfluídico integrado con tecnologías de micro fabricación de polímero posibilita el acceso a componentes bastante baratos, pues los polímeros constituyen uno de los materiales de menor precio que se puede pensar para la construcción de microsistemas.El concepto de un dispositivo médico basado en biosensores SAWEn términos de desarrollo de un dispositivo médico, los económicos híbridos de polímero SAW deberán ser proyectados como componentes de uso único para proveer sistemas estériles y también dedicados. "Dedicado" significa proveer cartuchos (y protocolos) específicos para aplicación o para la enfermedad que podrían ser descartables. Esos cartuchos podrán contener solamente de 2 a unos 8 biosensores SAW pre condicionados para permitir la detección de moléculas específicas como proteínas marcadoras de diagnóstico o secuencias de DNA, aún en exámenes complejos como de sangre, suero u otros líquidos biológicos.De modo general, el concepto básico permite la detección de casi toda enfermedad si hubiera moléculas específicas como marcadores de diagnóstico y receptores específicos altamente correspondientes disponibles que puedan ser anexados a la superficie

Sistema de Acondicionamiento del sensor saw

En comparación con el resto de tecnologías, los sensores SAW funcionan con un cristal piezoeléctrico, que dispone de una ola de destrucción térmica superior que integra los circuitos y, en oposición a las tecnologías de los códigos de barras, no es sensible a la contaminación.

La tecnologíaSAW utiliza una gama de frecuencias de 2,45 GHz, y permite que las distancias de lectura sean de varios metros.Una forma de aplicarlos es la esbozada en la figura # 02 consiste en disponer una línea de retardo en el lazo de realimentación de un amplificador, formando así un oscilador cuya frecuencia de oscilación depende del estado de deformación de la superficie.

El desfase total en el lazo de realimentación es:donde ǿ 0 =2 πfL/v es el desfase producido por el tiempo de transito de la onda desde un par de electrodos al otro; б ǿ0 es el incremento de fase producido por la deformación del sustrato y el cambio de temperatura, de haberlo, y ǿ ex es el defase debido al amplificador y la red de adaptación de impedancias externa .

Cuando ǿ t= 2nπ y la ganancia del amplificador es mayor de las pérdida totaltes en el sistema, éste oscila.

Aplicación industrial de los sensores SAW

Filtros:

Estos dispositivos, conocidos normalmente con el nombre de SAW, se emplean profusamente en filtros, osciladores y procesadores de señal a frecuencias superiores a 100 MHz.La velocidad v de la onda de superficie depende del estado de deformaciones en la superficie y de la temperatura, por cuanto éstas pueden llegar a afectar la densidad y las propiedades elásticas del material, aparte de alterar la distancia entre los electrodos. Este es el fundamento de la aplicación de estos dispositivos en sensores, con tres tipos básicos: los basados en una acción física sobre todo el sustrato, los que basan en una acción sólo en la superficie, y los emplean un recubrimiento que es el que experimenta los cambios. Estos últimos se suelen emplear para detectar sustancias químicas que son absorbidas o reaccionan con el sustrato.Filtros SAW y Filtros DieléctricosDesde que los filtros SAW entraron en uso en la mitad de los años setenta como filtros intermedios de frecuencia video los esfuerzos en investigación y desarrollo permanecieron vigorosos para mejorar las frecuencias de operación y rendimiento especialmente en equipos de telecomunicación móvil. Como resultado, filtros SAW comenzaron a aparecer en teléfonos celulares e inalámbricos. Estos filtros se aplican en sistemas de comunicación, sistemas de transmisión a radio, GSM, UMTS y aplicaciones CDMA y PCN.Resonadores SAWLos resonadores SAW se usan como filtros estrechos o elementos determinantes de frecuencia en osciladores.La generación directa de frecuencias en UHF y bajo rango de microondas los hace apropiados en el diseño especialmente de osciladores de baja interferencia para radio, repetidores de satélite, aplicaciones de radar y sistemas de control remotos. Filtros dieléctricos y filtros de paso banda cerámicos

Problema Práctico Industrial

El paradigma en la tecnología de biochips, particularmente microarreglos (microarrays), es ir cambiando de descubrimiento de drogas e investigación básica hacia diagnósticos clínicos.Inicialmente los biochips eran sustratos planares pasivos hechos de diversos materiales, como silicio, vidrio o polímeros.Inmovilizando las moléculas capturadas que son extremadamente selectivas a fragmentos de DNA, era obtenida una gran variedad de los así llamados chips de DNA/RNA o arreglos de DNA (DNA arrays).Esos arreglos, junto con sistemas de detección apropiados (o sea, lectoras), un poco de robótica y de informática, transformaron los métodos y el ritmo de la investigación biológica fundamental.Actualmente hay chips de DNA que pueden ser adquiridos para análisis de secuenciamiento con densidades de hasta 106 secuencias de sonda exclusivas por cm².Había una amplia expectativa que un profundo entendimiento de los procesos biológicos fundamentales afectaría no solo la búsqueda farmacéutica por mejores substancias de vanguardia, sino que también conduciría a nuevos dispositivos y métodos de diagnóstico.Así y todo, particularmente en diagnósticos de rutina, los chips de DNA aún son raros. Una razón para el impacto relativamente pequeño de los chips de DNA en los diagnósticos de rutina es que las proteínas son, la mayoría de las veces, la mejor elección para donde orientarse en el momento de juzgar la condición de salud real de los pacientes.Así, compartiendo casi todos los mismos conceptos que los chips de DNA, fueron desarrollados recientemente numerosos chips de proteínas que requieren instrumentación comparable, o sea, dispositivos para preparación, separación, detección y etc.Además del indudable beneficio de esos conceptos en diagnósticos clínicos o aplicaciones médicas, los dispositivos de diagnóstico deben ser de utilización extremamente fácil en la práctica de un médico.Esos dispositivos deben ser portátiles o por lo menos de un tamaño que puedan ser colocados en una bancada y ser muy específicos para solamente una o dos proteínas, tal vez más, pero ciertamente pocas. Reducir a tarea analítica (en términos de cantidad absoluta) significa que la integración de las funciones mencionadas anteriormente, como la preparación de muestras y detección, debe ser realizada dentro de un sistema entero para atender la facilidad de uso.El concepto actual utiliza biosensores SAW para detección específica y cuantificación, además de la microfluídica para integrar la preparación de muestras y control de fluido para crear grupos de sensores de baja densidad para diagnósticos clínicos.El sensor SAW está compuesto por un cristal piezoeléctrico sobre el que se montan estructuras metálicas. El equipo de lectura envía una señal electromagnética, que se transforma en oscilaciones mecánicas mediante un transformador especial que se encuentra en el sensor SAW. De las mismas se generan ondas que se distribuyen en la superficie del cristal, se reflejan parcialmente por los reflectores y se vuelven a convertir en ondas electromagnéticas. A través de la configuración de los reflectores se reconoce un código fijo, que el sensor identifica claramente. Dado que el cristal se dilata o contrae de acuerdo a la temperatura, la señal recibida presenta diferencias en el tiempo de ejecución. Así se puede obtener además de la RFID (identificación por radiofrecuencia) una lectura de la medición de temperatura con una resolución de 0,01 grados C. Esta característica adicional es particularmente interesante para un uso industrial altamente exigente.