CD-6022.pdf

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO DE CORRIENTES
INDUCIDAS QUE PERMITA LA VISUALIZACIÓN DEL PLANO DE
IMPEDANCIA PARA ANÁLISIS DE MATERIALES, DESTINADO AL
LABORATORIO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS, DE LA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DE LA EPN
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN
ELECTRÓNICA Y CONTROL
COLLAHUAZO SORIA DANIEL IGNACIO
creios@hotmail.com
VILLA TUQUINGA MAURO JAVIER
maurojvilla@hotmail.com
DIRECTOR: ING. OSWALDO BUITRÓN
oswaldo.buitron@epn.ec
Quito, diciembre 2014
ii
DECLARACIÓN
Nosotros, Collahuazo Soria Daniel Ignacio y Villa Tuquinga Mauro Javier,
declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría;
que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación
profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se
incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad
intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional,
según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por
la normatividad institucional vigente.
______________________
Daniel Collahuazo
___________________
Mauro Villa
iii
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Collahuazo Soria Daniel
Ignacio y Villa Tuquinga Mauro Javier, bajo mi supervisión.
________________________
Ing. Oswaldo Buitrón
DIRECTOR DEL PROYECTO
__________________________
Ing. Miguel Villacrés
CODIRECTOR DEL PROYECTO
iv
AGRADECIMIENTO
A mis padres, hermanas, familiares, amigos y personas que me han ayudado,
apoyado y guiado, durante todo el tiempo vivido, y a quienes he conocido en esta
etapa que culmino.
A la música, pintura, literatura y otras formas de arte que han sido un
complemento muy importante en mi vida, especialmente al poeta maldito Charles
B. y a sus flores enfermizas. Entre sueños, mitos y leyendas la realidad y la
imaginación convergen para crear un mundo a nuestra medida.
Daniel C.
v
DEDICATORIA
A mis seres queridos, especialmente a mi padre y a mi madre.
Y como dijo Marcel Marceau:…….
Daniel C.
vi
AGRADECIMIENTO
En primer lugar quiero agradecer a Dios y a la Madre Dolorosa por fortalecerme
en los momentos más difíciles de mi vida tanto personal como académica.
También un agradecimiento total a mis padres Juan Villa y María Tuquinga por
inculcarme esos grandes valores éticos y morales que guían mi camino.
A mis hermanos y a toda mi valiosa familia que siempre me han brindado su
apoyo incondicional.
Al Ing. Oswaldo Buitrón y al Ing. Miguel Villacrés que nos han ayudado y guiado
en todo este proceso de la tesis como director y codirector respectivamente.
Y a todos mis amigos y compañeros que he ganado en esta etapa universitaria
aquí en la EPN.
Mauro Javier Villa T.
vii
DEDICATORIA
Este proyecto de titulación lo dedico a mis padres Juan Villa Y María Tuquinga
porque han sido para mí un gran ejemplo de lucha y trabajo, los dos han
progresado con sacrificio y perseverancia, dándonos a mí y a mis hermanos el
privilegio de tener una educación digna y de calidad.
Mauro Javier Villa T.
viii
CONTENIDO
RESUMEN………………………………………………………………...xiii
PRESENTACIÓN………………………………………………………….xv
CAPÍTULO 1.- INTRODUCCION………………………………1
1.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LOS
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS………………………………………1
1.1.1
MÉTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS/
EVALUACIONES NO DESTRUCTIVAS…………………………………….2
1.1.1.1 Prueba visual-óptica………………………………………………2
1.1.1.2
Prueba
de
líquidos
penetrantes…………………………………..3
1.1.1.3 Partículas magnéticas……………………………………………..3
1.1.1.4 Radiografía………………………………………………………...3
1.1.1.5 Pruebas ultrasónicas……………………………………………...4
1.1.1.6 Pruebas de emisión acústica……………………………………...4
1.1.1.7 Pruebas de fuga…………………………………………………...4
1.1.1.8 Prueba electromagnética o de corrientes de Eddy……………...4
1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES
OBJETO DE PRUEBA EN EL LABORATORIO…………………….6
1.2.1 TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS…………………………….6
1.2.1.1 Material
diamagnético…………………………………………….7
1.2.1.2 Material paramagnético…………………………………………...7
1.2.1.3 Material ferromagnético…………………………………………..7
1.2.1.4 Material antiferromagnético……………………………………...8
1.2.1.5 Material ferrimagnético…………………………………………...9
1.2.1.6 Material superparamagnético…………………………………….9
1.2.1.7 Ferritas……………………………………………………………10
1.2.2 TIPOS DE MATERIALES METÁLICOS……………………………..10
1.2.2.1 Materiales ferrosos……………………………………………….10
ix
1.2.2.1.1 Aceros………………………………………………………… 11
1.2.2.1.2 Hierros fundidos o fundiciones……………………………..13
1.2.2.2 Materiales no ferrosos……………………………………………15
1.2.2.2.1 Metales no ferrosos pesados………………………………...16
1.2.2.2.2 Metales no ferrosos ligeros………………………………….18
1.2.2.2.3 Metales no ferrosos ultraligeros……………………………19
1.3 PRINCIPIOS FÍSICOS DEL MÉTODO DE
CORRIENTES INDUCIDAS…………………………………………..19
1.3.1 PROPIEDADES DE LA ELECTRICIDAD…………………………...22
1.3.2 FLUJO DE CORRIENTE Y LA LEY DE OHM……………………...23
1.3.3 INDUCCIÓN E INDUCTANCIA………………………………………25
1.3.4 AUTO-INDUCTANCIA Y REACTANCIA INDUCTIVA…………...27
1.3.5 INDUCTANCIA MUTUA (La Base de la Inspección
por corrientes de Eddy)………………………………………………………..30
1.3.6 CIRCUITO Y FASE……………………………………………………..34
1.3.7 IMPEDANCIA…………………………………………………………...36
1.3.8 PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN Y
DENSIDAD DE CORRIENTE………………………………………………..39
1.3.9 RETRASO DE FASE……………………………………………………43
1.4 CONCEPTOS FUNDAMENTALES
DEL PROTOCOLO ZIGBEE…………………………………………46
1.4.1 IEEE 802.15.4 CAPA FÍSICA (PHY)…………………………………..47
1.4.1.1 Canales IEEE 802.15.4…………………………………………..48
1.4.1.2 Modulación……………………………………………………….48
1.4.1.3 Sensibilidad y potencia…………………………………………..49
1.4.2 IEEE 802.15.4 CAPA MAC……………………………………………..50
1.4.2.1 Capa de enlace de datos…………………………………………50
1.4.2.1.1 Control de enlaces lógicos………………………………….54
1.4.2.2 Redes tipo estrella y peer to peer……………………………….54
1.4.3 ZigBEE…………………………………………………………………....55
CAPÍTULO 2.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
x
DE LAS ETAPAS DEL SISTEMA…………………………….57
2.1 ARQUITECTURA DEL SISTEMA………………………………57
2.2 GENERADOR DE SEÑALES……………………………………..58
2.2.1 DESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN DE LOS
PINES DEL AD9834…………………………………………………………...59
2.2.2 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN……….62
2.2.3 ACONDICIONAMIENTO DEL GENERADOR
DE SEÑALES…………………………………………………………………..63
2.3 ACONDICIONAMIENTO DE LAS
VARIABLES DE LA SONDA…………………………………………66
2.3.1 ADQUISICIÓN DE LAS VARIABLES DE LA SONDA……………...67
2.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE VARIABLES PARA
DETERMINAR LA IMPEDANCIA…………………………………………71
2.3.2.1 Circuito rectificador de precisión de onda completa…………..71
2.3.2.2 Seguidor y retenedor de picos positivos………………………...75
2.3.2.3 Acondicionamiento de señales para conexión
con el sistema microcontrolado………………………………………….79
2.3.3 ACONDICIONAMIENTO DE VARIABLES PARA
DETERMINAR EL ÁNGULO DE FASE…………………………………….83
2.3.3.1 Filtro Butterworth pasa bajos…………………………………..85
2.3.3.2 Acondicionamiento de la señal multiplicada…………………...88
2.4 SISTEMA MICROCONTROLADO……………………………...89
2.4.1 DIAGRAMA DE PINES…………………………………………………92
2.5 FUENTE DE ALIMENTACIÓN…………………………………..93
CAPÍTULO 3.- PROGRAMACIÓN Y
ENLACE DE MÓDULOS………………………………………95
3.1 CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL
CONTROLADOR DEL MÓDULO DEL EQUIPO………………….95
3.1.1 PROGRAMA PRINCIPAL………………………..……………….……95
xi
3.2 CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL
CONTROLADOR DEL MÓDULO DE COMUNICACIÓN PARA
ENLAZAR EL EQUIPO A UN COMPUTADOR VÍA ZIGBEE….100
3.2.1 CIRCUITO BÁSICO PARA EL XBEE……………………………….101
3.2.2 MODOS DE OPERACIÓN…………………………………………….102
3.2.3 CONFIGURACIÓN PUNTO A PUNTO……………………………..104
CAPÍTULO 4.- DESARROLLO DE LA HMI
PARA MONITOREO Y CONTROL…………………………107
4.1 PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ HMI
QUE CORRERÁ EN LA COMPUTADORA……………………...107
4.1.1 SOFTWARE DE DESARROLLO DE
SISTEMAS NI LABVIEW…………………………………………………...107
4.1.1.1 Principales características……………………………………...108
4.1.1.2 Aplicaciones……………………………………………………..109
4.1.1.3 Requerimientos del sistema…………………………………….110
4.1.2 INTERFAZ DEL USUARIO…………………………………………..115
4.1.2.1 Interfaz de configuración………………………………………115
4.1.2.2 Interfaz de gráficas…………………………………………….116
4.2 CONFIGURACIONES DE LA COMUNICACIÓN
ENTRE LA COMPUTADORA Y EL MÓDULO DE
COMUNICACIÓN DISEÑADO……………………………………..118
CAPÍTULO 5.- PRUEBAS Y RESULTADOS……………….120
5.1 PRUEBA DE CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA………………120
5.1.1 PATRONES DE CONDUCTIVIDAD…………………………………120
5.1.2 RESULTADOS DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA………...121
5.1.2.1 Baja frecuencia 50 KHz………………………………………...122
5.1.2.2 Baja frecuencia 70 KHz………………………………………...126
5.1.2.3 Baja frecuencia 100 KHz……………………………………….130
xii
5.1.2.4 Baja frecuencia 150 KHz……………………………………….134
5.1.2.5 Frecuencia Media 200 KHz…………………………………….138
5.1.2.6 Frecuencia Media 300 KHz…………………………………….142
5.1.2.7 Frecuencia Media 340 KHz…………………………………….146
5.1.2.8 Frecuencia Media 370 KHz…………………………………….150
5.1.2.9 Alta frecuencia 400 KHz………………………………………..154
5.1.2.10 Alta frecuencia 440 KHz………………………………………158
5.1.2.11 Alta frecuencia 470 KHz………………………………………162
5.1.2.12 Alta frecuencia 500 KHz………………………………………166
5.2 PRUEBA DE DISCONTINUIDADES…………………………...173
5.2.1 RESULTADOS DE DETECCIÓN DE DISCONTINUIDADES…….174
5.2.1.1 Superficie
Lisa…………………………………………………..174
5.2.1.2 Fisura de 1 mm…………………………………………………175
5.2.1.3 Fisura de 2 mm…………………………………………………176
5.2.1.4 Fisura de 3 mm…………………………………………………177
CAPÍTULO 6.- CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES……………………………………….180
6.1 CONCLUSIONES…………………………………………………180
6.2 RECOMENDACIONES…………………………………………..182
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………...184
ANEXOS………………………………………………………...185
xiii
RESUMEN
En el presente proyecto de titulación se presenta el diseño e implementación de
un equipo, de corrientes inducidas, que permite al usuario visualizar el plano de
impedancia y el porcentaje de conductividad, para evaluación de materiales,
dentro de un amplio rango de frecuencias (50 KHz a 500 KHZ).
En el capítulo 1 se explican los conceptos fundamentales y se da una breve
descripción de los ensayos no destructivos, y de los materiales de prueba que se
analizan en el laboratorio, para después profundizar en el método de corrientes
inducidas y en los principios físicos en los que se basa dicho método.
Además se hace referencia al protocolo Zigbee, con el que se trabajará para la
comunicación entre el equipo y un computador.
En el capítulo 2 se describen las etapas del sistema y los diseños de circuitos de
acondicionamiento para el manejo de señales y
conexión al sistema
microcontrolado.
El capítulo 3
explica la configuración y programación del microcontrolador,
utilizado para esta aplicación, y del módulo de comunicación para enlazar el
equipo a un computador vía Zigbee.
En el capítulo 4 se describe el desarrollo de la interfaz HMI, de Labview, para el
monitoreo y control, además de la configuración del computador para enlazarse
con el equipo diseñado.
El capítulo 5 presenta las pruebas que se realizaron con el equipo de corrientes
inducidas (Pruebas que serán realizadas en las prácticas del Laboratorio de
Ensayos No Destructivos de la EPN) y el análisis de los resultados obtenidos.
xiv
El proyecto no estaría completo sin las conclusiones y recomendaciones, por lo
cual estas se presentan conjuntamente en el capítulo 6.
Al final del escrito se encuentran los anexos, que contienen el manual de usuario
del equipo de corrientes inducidas y las hojas de datos de los principales
elementos utilizados para su implementación.
xv
PRESENTACIÓN
Los ensayos no destructivos son un tipo de prueba practicada a un material que
no altera de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o
dimensionales. Los ensayos no destructivos implican un “daño” imperceptible o
nulo. Los diferentes métodos de ensayos no destructivos se basan en la
aplicación de fenómenos físicos tales como ondas magnéticas, elásticas, emisión
de
partículas subatómicas, absorción, etc. para caracterizar y localizar
condiciones y fallas en materiales.
En el presente proyecto de titulación, se realiza el diseño y posterior
implementación de un equipo de corrientes inducidas, que será utilizado en el
Laboratorio de Ensayos No Destructivos de la Facultad de Ingeniería Mecánica,
para que los estudiantes puedan realizar ensayos en los materiales con un
instrumento que cumpla con las funciones de los equipos industriales, como son
mostrar en un gráfico el plano de impedancia del material, porcentaje de
conductividad y que el usuario pueda seleccionar la frecuencia de prueba entre 50
KHz y 500 KHz.
Además se desarrolla una interfaz utilizando Labview, que se comunica vía
Zigbee al equipo, para permitir al usuario ver el resultado de las pruebas a
distancia y permitiéndole guardar los gráficos y datos para su posterior análisis.
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LOS ENSAYOS NO
DESTRUCTIVOS1
El campo de ensayos no destructivos (END o NDT siglas en inglés) es muy
amplio, interdisciplinario que desempeña un papel crítico para asegurar que los
componentes estructurales y sistemas cumplan su función de forma fiable y
rentable, en la Figura 1.1, se puede observar la clasificación de los ensayos no
destructivos. Los técnicos e ingenieros de ensayos no destructivos definen y
aplican pruebas que localizan y caracterizan las condiciones de los materiales y
las fallas que podrían causar las colisiones de aviones, las fallas de reactores, los
descarrilamientos de trenes, las explosiones de las tuberías, y una variedad de
menos visibles, pero igualmente preocupantes problemas. Estas pruebas se
realizan de una manera que no afecta a la utilidad futura o las propiedades del
objeto o material. En otras palabras, END permite que las piezas y los materiales
sean inspeccionados y medidos sin dañarlos. Debido a que permite la inspección
sin interferir con el uso final del producto, END ofrece un excelente equilibrio entre
el control de calidad y costo-efectividad. En términos generales, los ensayos no
destructivos se aplican a las inspecciones industriales.
La evaluación no destructiva (NDE siglas en inglés) es un término que se utiliza a
menudo de manera intercambiable con END. Sin embargo, técnicamente, NDE se
utiliza para describir las mediciones que son más cuantitativas en la
naturaleza. Por ejemplo, un método NDE no sólo localiza un defecto, sino que
también se utiliza para medir algo sobre ese defecto tal como su tamaño, forma y
orientación. Las NDE se pueden utilizar para determinar las propiedades del
material tal como elasticidad, conductividad, y otras características físicas.
1
Ref. [1]
2
Figura 1.1. Clasificación de los END según su utilidad
1.1.1 MÉTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS/EVALUACIONES NO
DESTRUCTIVAS2
El número de métodos de END que pueden ser utilizados para inspeccionar
componentes y hacer mediciones es grande y continúa creciendo. Los
investigadores continúan encontrando nuevas formas de aplicar la física y otras
disciplinas científicas para desarrollar mejores métodos de ensayos no
destructivos. Sin embargo, hay seis métodos de END que se utilizan con mayor
frecuencia. Estos métodos son la inspección visual, pruebas de penetración, las
pruebas de partículas magnéticas, pruebas electromagnéticas o de corrientes de
Foucault, radiografías y pruebas de ultrasonido. Estos métodos y otros pocos se
describen brevemente a continuación.
1.1.1.1 Prueba visual-óptica
La inspección visual es el método más común, implica la experiencia de un
inspector para buscar defectos. Permite detectar salpicaduras, existencia de
cenizas, distorsiones por excesivo calentamiento, grietas, etc.
El inspector también puede utilizar herramientas especiales tales como lupas,
espejos, linternas, etc., para acceder y examinar más de cerca el área de estudio.
2
Ref. [1] y [2]
3
1.1.1.2 Prueba de líquidos penetrantes
Los objetos de prueba están recubiertos con una solución de color visible o
fluorescente. El colorante en exceso se retira de la superficie, y un revelador es
aplicado. El revelador actúa como papel secante, el tinte penetrante es extraído
de las imperfecciones abiertas a la superficie, destacando fácilmente, ya sea por
la aparición de vivos colores como después de aplicar luz UV en caso de tintes
fluorescentes. Este método sirve en cualquier material.
1.1.1.3 Partículas magnéticas
Este método consiste en la inducción de un campo magnético en un material
ferromagnético y luego espolvorear la superficie con partículas de hierro (ya sea
en seco o en suspensión en líquido). Las imperfecciones superficiales modifican
el campo y las partículas de hierro se concentran cerca de las imperfecciones,
vista previa de una indicación visual de la falla.
Este método sólo es factible en materiales ferromagnéticos con defectos
superficiales perpendiculares a las líneas de campo.
1.1.1.4 Radiografía
La radiografía implica el uso de rayos gamma o X (muy penetrantes) para
examinar imperfecciones internas de las partes y productos. Un generador de
rayos X o isótopos radiactivos se utiliza como una fuente de radiación.
La radiación se dirige a través de una parte y produce una “imagen negativa” en
una película o film. La radiografía resultante muestra la solidez interna de los
materiales. Las posibles imperfecciones se indican como los cambios de densidad
en la película, de la misma manera como un médico de rayos X muestra los
huesos rotos.
4
1.1.1.5 Pruebas ultrasónicas
La prueba de ultrasonidos utiliza la transmisión de ondas acústicas de alta
frecuencia en un material para detectar imperfecciones o para localizar los
cambios en las propiedades del material. La técnica más comúnmente usada es
la prueba ultrasónica de pulso-eco, en el que el sonido se introduce en un objeto
de prueba y los reflejos (ecos) se devuelven a un receptor desde las
imperfecciones internas o desde las superficies geométricas de la pieza. Esta
prueba sirve para cualquier material.
1.1.1.6 Pruebas de emisión acústica3
Cuando un material sólido es sometido a estrés las imperfecciones en el material
emiten cortas ráfagas de energía acústica llamadas "emisiones". Al igual que en
las pruebas de ultrasonidos, las emisiones acústicas pueden ser detectados por
receptores especiales. Las fuentes de emisiones pueden ser evaluadas a través
del estudio de su intensidad, frecuencia y ubicación.
1.1.1.7 Pruebas de fuga4
La prueba de fuga permite, en un ambiente de producción, detectar y localizar
fugas en recipientes, contenedores o piezas que deban mantener su contenido a
presión. Las fugas pueden ser detectadas mediante el uso de dispositivos
electrónicos de escucha, mediciones de presión manométrica, técnicas de
líquidos y gas penetrantes, y / o la prueba sencilla de pompa de jabón.
1.1.1.8 Prueba electromagnética o de corrientes de Eddy
Corrientes eléctricas son generadas (inducidas) en un material conductor por un
campo magnético alterno. Las corrientes eléctricas se llaman corrientes de Eddy
porque su flujo en círculos están, en y por debajo, sólo de la superficie del
3
4
Ref. [1] y http://www.es.sgs.com/es/acoustic-emission-testing?serviceId=10159629&lobId=20009
http://www.induma.biz/boletines/abril08.pdf
5
material. Las interrupciones en el flujo de las corrientes inducidas, causada por las
imperfecciones, los cambios dimensionales, o cambios en el material conductor y
propiedades de permeabilidad, pueden ser detectadas con el equipo apropiado.
Se utiliza esta prueba en materiales conductores.
El presente trabajo hará énfasis en éste método para la realización de un equipo
de corrientes inducidas que permita la visualización del plano de impedancia para
análisis de materiales, lo cual se justifica en la comparación de las pruebas que se
presenta en la Tabla 1.1.
Tabla 1.1. Comparación de los END
6
1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES OBJETO DE
PRUEBA EN EL LABORATORIO
1.2.1 TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS5
La diferencia de las propiedades magnéticas de los diferentes materiales se debe
a la estructura atómica de los materiales, lo que determina la naturaleza y
magnitud de los momentos atómicos magnéticos, según su comportamiento por
un campo magnético inducido, al respecto en la Tabla 1.2 se presenta la
clasificación de los materiales.
Tabla 1.2. Materiales Magnéticos6
Tipo de material
No magnético
Características
No afecta el paso de las líneas de Campo magnético.
Ejemplo: el vacío.
Material débilmente magnético. Si se sitúa una barra magnética cerca de
Diamagnético
él, ésta lo repele.
Ejemplo: bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), agua.
Paramagnético
Presenta un magnetismo significativo. Atraído por la barra magnética.
Ejemplo: aire, aluminio (Al), paladio (Pd), magneto molecular.
Magnético por excelencia o fuertemente magnético. Atraído por la barra
magnética.
Ferromagnético
Paramagnético por encima de la temperatura de Curie (La temperatura de
Curie del hierro metálico es aproximadamente unos 770 °C).
Ejemplo: hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero suave.
Antiferromagnético
Ferrimagnético
Superparamagnético
Ferritas
No magnético aún bajo acción de un campo magnético inducido.
Ejemplo: óxido de manganeso (MnO2).
Menor grado magnético que los materiales ferromagnéticos.
Ejemplo: Ferritas.
Materiales ferromagnéticos suspendidos en una matriz dieléctrica.
Ejemplo: materiales utilizados en cintas de audio y video.
Ferromagnético de baja conductividad eléctrica.
Ejemplo: utilizado como núcleo inductores para aplicaciones de C.A.
5
Ref. [3]
6
http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetismo
7
1.2.1.1 Material diamagnético
Su origen está en la circulación de los pares electrónicos inducidos por el campo,
que se oponen a él y que tienden a desplazar la muestra fuera del campo.
Experimentalmente, se verifica que los materiales diamagnéticos tienen
una permeabilidad
magnética inferior
a
la
unidad,
y
una susceptibilidad
magnética negativa, prácticamente independiente de la temperatura, y del propio
campo.
1.2.1.2 Material paramagnético
El paramagnetismo es
la
tendencia
de
los momentos
magnéticos libres
(espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético. Cuando no
existe ningún campo magnético externo, estos momentos magnéticos están
orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo tienden a
alinearse paralelamente al campo, pero esta alineación está contrarrestada por la
tendencia que tienen los momentos a orientarse aleatoriamente debido al
movimiento térmico. Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un
campo externo tiende a fortalecerlo. Esto se describe por una permeabilidad
magnética superior a la unidad, o, lo que es lo mismo, una susceptibilidad
magnética positiva y muy pequeña.
1.2.1.3 Material ferromagnético
Diamagnetismo y paramagnetismo son características de los átomos aislados.
Mientras que el ferromagnetismo es un comportamiento que requiere de la
cooperación de muchos átomos en un sólido, es un fenómeno físico en el que se
produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una
muestra, en la misma dirección y sentido.
Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los
dominios tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que
los dipolos están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo
8
magnético inductor aumentan su tamaño. Al eliminar el campo, el dominio
permanece durante cierto tiempo, dicha descripción se puede observar de forma
gráfica en la Figura 1.2.
Figura 1.2. Orientación de Dominios
1.2.1.4 Material antiferromagnético
El antiferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos los momentos
magnéticos de una muestra, en la misma dirección pero en sentido inverso (por
pares o una subred frente a otra), esto se representa en la Figura 1.3. La
interacción antiferromagnética es la interacción magnética que hace que los
momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y en sentido
inverso, cancelándolos si tienen el mismo valor absoluto, o reduciéndolos si son
distintos.
Ha
de
extenderse
por
todo
un
sólido
para
alcanzar
el
antiferromagnetismo.
Las interacciones antiferromagnéticas pueden producir momentos magnéticos
grandes, incluso imanación. El ferromagnetismo ocurre en sistemas en los que
una interacción antiferromagnética entre momentos magnéticos de diferente
magnitud implica un momento magnético resultante grande.
Figura 1.3. Alineamiento de los momentos Magnéticos7
7
http://es.wikipedia.org/wiki/Antiferromagnetismo
9
1.2.1.5 Material ferrimagnético
El ferrimagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento
magnético de todos los momentos magnéticos de modo que no todos los
momentos magnéticos de una muestra están alineados en la misma dirección y
sentido, esto se representa gráficamente en la Figura 1.4. Algunos de ellos están
opuestos y se anulan entre sí. Sin embargo estos momentos magnéticos que se
anulan están distribuidos aleatoriamente y no consiguen anular por completo
la magnetización espontánea.
El ferrimagnetismo también presenta, como el ferromagnetismo, magnetizaciones
de saturación (punto en el que ya no aumenta la magnetización aunque
aumentemos la fuerza del campo), aunque no en valores tan altos. Otra similitud
es que por encima de la temperatura de Curie se pierde el ferrimagnetismo y el
material pasa a ser paramagnético.
Figura 1.4. Esquema de ordenamiento ferrimagnético8
1.2.1.6 Material superparamagnético
El superparamagnetismo es
un
comportamiento
magnético
con
algunas
características del ferromagnetismo y otras del paramagnetismo. Su origen se
debe a partículas mesoscópicas, con interacciones ferromagnéticas lo bastante
intensas en su interior como para lograr un ordenamiento magnético por debajo
8
http://es.wikipedia.org/wiki/Ferrimagnetismo
10
de cierta temperatura crítica, pero con interacciones muy débiles entre ellas, con
lo que el ordenamiento magnético no puede extenderse a todo el sistema. Así, se
comportan
como
semejanza
de
paramagnetos
los
de momento
ferromagnetos,
pueden
magnético muy
exhibir ciclos
de
grande.
A
histéresis
magnéticos o señal a.c. en la susceptibilidad, pero sólo por encima de
cierta frecuencia crítica a partir de la cual el momento magnético inducido no es
capaz de seguir la dirección del campo aplicado.
1.2.1.7 Ferritas
La ferrita o hierro-α (alfa), en metalurgia, es una de las estructuras cristalinas
del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene
propiedades magnéticas.
Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos (sólo la alfa), compuestos
por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno.
Las
ferritas
tienen
una
alta
permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con
más fuerza que el hierro. Se fabrican núcleos para transformadores,
inductores/bobinas, ya que en ellos queda eliminadas las corrientes de Eddy, y
otros elementos eléctricos o electrónicos.
1.2.2 TIPOS DE MATERIALES METÁLICOS
Debido a que los materiales de END para corrientes inducidas son metales, se
los divide en dos grupos: materiales ferrosos y no ferrosos, ya que el metal más
empleado en la actualidad es el hierro.
1.2.2.1 Materiales ferrosos9
Los metales ferrosos son aquellos que están basados en el hierro, entre los de
mayor importancia son el hierro y el carbono. Estas aleaciones se dividen en dos
grupos: los aceros y las fundiciones de hierro.
9
http://sifunpro.tripod.com/metal.htm y http://www.textoscientificos.com/mineria/materiales-ferrosos
11
1.2.2.1.1 Aceros
Los aceros son aleaciones de hierro y carbono que pueden contener cantidades
apreciables de otros elementos. Las propiedades mecánicas de los aceros son
sensibles al porcentaje de carbono, el cual es normalmente menor al 1%.
Algunos de los aceros más comunes se clasifican de acuerdo a su concentración
de carbono, así se tiene:

Aceros de bajo carbono
-
Son los que se producen comercialmente en mayor cantidad.
-
Generalmente contienen menos del 0.25% de carbono.
-
No responden a tratamientos térmicos que forman martensita.
-
Su incremento en la resistencia puede lograrse por medio de trabajo
en frío.
-
Su microestructura consiste de ferrita y perlita.
-
Son aleaciones relativamente suaves y débiles pero con una
ductilidad y tenacidad sobresalientes.
-
Aplicaciones
típicas:
componentes
de
automóviles,
perfiles
estructurales, láminas, tuberías.

Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA)
-
Es un subgrupo de los aceros al carbono. Poseen bajo carbono.
-
Contienen elementos de aleación como cobre, vanadio, níquel y
molibdeno en concentraciones combinadas de 10% o menos.

-
Poseen mayor resistencia que los aceros al carbono.
-
Muchos de ellos pueden ser endurecidos por tratamiento térmico.
Aceros de medio carbono
-
Tienen concentraciones de carbono entre 0.25 y 0.60.
-
Pueden ser tratados térmicamente por austenizado, templado y
revenido. Normalmente se utilizan en la condición revenida.
12
-
Los aceros no aleados (al carbono) tienen baja capacidad de
endurecimiento y sólo pueden tratarse térmicamente en secciones
delgadas y con elevada rapidez de enfriamiento.
-
Al añadir cromo, níquel y molibdeno se mejora la capacidad de estas
aleaciones de ser tratadas térmicamente. Estas aleaciones tienen
mayor resistencia que los aceros de bajo carbono pero sacrificando
ductilidad y tenacidad.
-
Se utilizan en aplicaciones que requieren la combinación de elevada
resistencia, resistencia al desgaste y tenacidad.

Aceros de alto carbono
-
Su contenido de carbono varía entre 0.6 y 1.4%.
-
Son los aceros más duros, más resistentes y menos dúctiles de los
aceros al carbono.
-
Casi siempre se utilizan revenidos, por ello tienen una resistencia al
desgaste especial y son capaces de mantener un filo cortante.
-
Los aceros para herramienta (tool steels) caen dentro de la
categoría de aceros de alto carbono. Contienen cromo, vanadio,
tungsteno y molibdeno. Esos elementos de aleación se combinan
con el carbono para formar carburos muy duros y resistentes al
desgaste. Se utilizan para fabricar herramientas de corte.

Aceros inoxidables
-
Poseen una resistencia elevada a la corrosión en una variedad de
entornos, especialmente el medio ambiente.
-
El elemento principal de aleación es el cromo (se requiere de al
menos 11% de cromo en el acero). La resistencia a la corrosión
puede mejorarse al añadir níquel y molibdeno.
-
Se dividen en tres clases: martensítico, ferrítico y austenítico.
-
Los aceros inoxidables austeníticos y ferríticos sólo pueden
endurecerse por trabajo en frío.
13
-
Los aceros inoxidables austeníticos son los que tienen mayor
resistencia a la corrosión debido a su contenido elevado de cromo.
son no-magnéticos.
-
Los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos son magnéticos.
1.2.2.1.2 Hierros fundidos o fundiciones
Las fundiciones son aleaciones ferrosas con contenidos de carbono mayores al
2.1%. La mayoría de fundiciones tienen entre 3 y 4.5% C. Estas aleaciones pasan
al estado líquido entre 1150º y 1300º C. La mayoría de hierros fundidos posee
grafito en su microestructura. Las fundiciones se clasifican de la siguiente manera:

Hierro gris
-
Contiene entre 2.5 y 4% C y 1 a 3% de Si.
-
El grafito existe en forma de hojuelas rodeadas por una matriz de
ferrita o perlita. Debido a las hojuelas de grafito, la superficie de
fractura de estos materiales toma un color grisáceo, y de ahí su
nombre.
-
Mecánicamente, el hierro gris es más débil y frágil en tensión que en
compresión. Esto es a consecuencia de su microestructura ya que
los extremos de la hojuela de grafito son afilados y puntiagudos, y
sirven como puntos de concentración del esfuerzo cuando una
fuerza externa en tensión es aplicada. La resistencia y ductilidad son
mucho mayores bajo cargas en compresión.
-
Estas
aleaciones
son
muy efectivas
disipando
energía
de
vibraciones. Por esta razón, las estructuras de base de maquinaria y
equipo pesado se fabrican con este material.
-
El hierro gris posee una elevada resistencia al desgaste. Además,
en estado líquido poseen una fluidez elevada lo cual permite fabricar
piezas con geometrías.
-
El gris es la aleación más barata de todas las aleaciones metálicas.
14

Hierro nodular o dúctil
-
Si al hierro gris se le añaden pequeñas cantidades de magnesio
y/o cerio, se produce en el material una microestructura y
propiedades mecánicas muy diferentes a las del hierro gris. El
grafito siempre se forma, pero no como hojuelas sino como
nódulos o partículas esféricas. La aleación que resulta se llama
hierro nodular o dúctil.
-
La fase que rodea a los nódulos puede ser perlita o ferrita,
dependiendo del tratamiento térmico.
-
Las piezas fundidas fabricadas con esta aleación son mucho
más resistentes y dúctiles que las fabricadas con el hierro gris.

Hierro blanco y Hierro maleable
-
Para hierros fundidos bajos en silicio (menos del 1%) y
velocidades de enfriamiento elevadas, la mayoría del carbono en
la aleación se forma como cementita en vez de grafito. La
superficie de fractura de este material tiene un color blancuzco y
de ahí su nombre fundición blanca.
-
Debido a la gran cantidad de cementita que poseen, las
fundiciones blancas son extremadamente duras pero también
muy frágiles, al grado que prácticamente son imposibles de
maquinar. Su uso se limita a aplicaciones que requieren una
superficie muy dura y resistente al desgaste y sin un alto grado
de ductilidad.
-
El hierro blanco se utiliza como material intermedio para la
fabricación del hierro maleable.
-
Cuando se calienta el hierro blanco a temperaturas entre 800 y
900º C por un período de tiempo prolongado y en una atmósfera
neutra (para evitar la oxidación), la cementita se descompone en
grafito, el cual existe en la forma de clusters o rosetas rodeados
por una matriz de ferrita o perlita.
-
La forma del grafito en el hierro maleable produce una elevada
resistencia y ductilidad apreciable.
15
1.2.2.2 Materiales no ferrosos10
Los metales no ferrosos son aquellos que incluyen elementos metálicos y
aleaciones que no se basan en el hierro, su utilización no es tan masiva como los
productos férreos y aunque algunos metales no ferrosos no pueden igualar la
resistencia de los aceros, tienen una gran importancia en la industria, por
propiedades como:
-
El bajo peso específico.
-
La resistencia a la oxidación en condiciones ambientales normales.
-
La fácil manipulación y mecanizado.
Las aleaciones no ferrosas tienen gran cantidad de aplicaciones como: fabricación
de monedas, filamentos de bombillas, material para soldadura de componentes
electrónicos, recubrimientos, etc.
En general, los metales no ferrosos son blandos y tienen poca resistencia
mecánica. Para mejorar sus propiedades se alean con otros metales. Debido a su
densidad se pueden clasificar como se ilustra en la Tabla 1.3:
Tabla 1.3. Clasificación de Materiales No Ferrosos
TIPO
Características
Ejemplo de metal no
férrico
Pesados
Su densidad es igual
o mayor de 5 kg/dm
3
Estaño, cobre, cinc, plomo,
cromo, níquel, wolframio y
cobalto.
Ligeros
Su densidad está
Aluminio y titanio.
comprendida entre 2
y 5 kg/dm
Ultraligeros
3
Su densidad es
menor de 2 kg/dm
10
Magnesio y berilio.
3
http://sifunpro.tripod.com/metal.htm y metalesnoferrosos.pdf
16
1.2.2.2.1 Metales no ferrosos pesados

Estaño
Es un metal bastante escaso en la naturaleza. Se lo encuentra concentrado en
minas, aunque su cantidad es bastante baja (del orden del 0,02%).
Propiedades

-
Densidad: 7,28 kg/dm3.
-
Punto de fusión: 231 °C.
-
Resistividad: 0,115 W·mm2/m.
-
Resistencia a la tracción: 5 kg/mm2.
-
Alargamiento: 40%.
Cobre
El cobre es uno de los metales más conocidos por los seres humanos, en la
antigüedad se podía encontrar el elemento en forma pura, pero ahora es difícil
encontrarlo en depósitos naturales, ahora se extrae principalmente de sulfuros.
La adición de otros metales no ferrosos al cobre mejora sus propiedades
mecánicas y de resistencia a la oxidación, aunque empeora ligeramente su
conductividad eléctrica y calorífica.

Cinc
El cinc se destaca por ser un material con un punto de fusión relativamente bajo lo
cual lo hace atractivo como un metal de fundición y al igual que el Níquel sirve de
recubrimiento para otros metales para evitar corrosión, generalmente se utiliza el
termino galvanizado cuando se aplica cinc sobre otro material.
Propiedades
-
Densidad: 7,14 kg/dm3
-
Punto de fusión: 419°C
-
Resistividad: 0,057 W·mm2/m
-
Resistencia a la tracción:
17

-
Piezas moldeadas: 3 kg/mm2.
-
Piezas forjadas: 20 kg/mm2.
-
Alargamiento: 20%.
Plomo
Se empieza a utilizar, aproximadamente, en el año 5000 A. C., adquiriendo gran
importancia durante el periodo romano y a partir del siglo xix.
Propiedades:

-
Densidad: 11,34 kg/dm3.
-
Punto de fusión: 327 °C.
-
Resistividad; 0,22 W·mm2/m.
-
Resistencia a la tracción: 2 kg/mm2.
Cromo
Propiedades:

-
Densidad: 6,8 kg/dm3.
-
Punto de fusión: 1900°C.
-
Resistividad: 1,1 W·mm2/m.
-
Tiene un color grisáceo acerado.
-
Es muy duro y tiene una gran acritud.
-
Resiste muy bien la oxidación y corrosión.
Níquel
Este elemento es similar al hierro en varios aspectos: es magnético y su módulo
de elasticidad es prácticamente el mismo para el hierro y el acero. Difiere del
hierro en que es más resistente a la corrosión y las propiedades de sus
aleaciones a altas temperaturas son generalmente superiores. Debido a sus
propiedades similares al hierro y su alta resistencia a la corrosión, se utiliza como
elemento de aleación para el acero, para obtener acero inoxidable por ejemplo, y
también se aplica como material de chapado sobre otros materiales.
Propiedades:
-
Densidad: 8,85 kg/dm3.
18

-
Punto de fusión: 1450°C.
-
Resistividad: 0,11 W·mm2/m.
Wolframio
Propiedades:

-
Densidad: 19 kg/dm3.
-
Punto de fusión: 3370°C.
-
Resistividad: 0.056·W·mm2/m
Cobalto
Propiedades:
-
Densidad: 8,6 kg/dm3.
-
Punto de fusión: 1490°C.
-
Resistividad: 0,063 W·mm2/m.
-
Tiene propiedades análogas al níquel, pero no es magnético.
1.2.2.2.2 Metales no ferrosos ligeros

Aluminio
Propiedades:

-
Densidad: 2,7 kg/dm3
-
Punto de fusión: 660 °C.
-
Resistividad: 0,026 W·mm2/m.
-
Resistencia a la tracción: 10 - 20Kg/mm2
-
Alargamiento: 50%
Titanio
Este material es medianamente abundante en la naturaleza, pero su importancia
ha crecido de década en década debido a sus aplicaciones aeroespaciales, en la
cual se explota su peso ligero y su buena razón de resistencia-peso.
El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo comparado
con otros materiales, siendo que muestra ser más rígido y fuerte que el
19
aluminio; el titanio puro es reactivo, lo cual presenta problemas para su
procesamiento, especialmente en su estado fundido.
Propiedades:
-
Densidad: 4,45 kg/dm3
-
Punto de fusión: 1800 °C.
-
Resistividad: 0,8 W·mm2/m.
-
Resistencia a la tracción: 100Kg/mm2
-
Alargamiento: 5%
1.2.2.2.3 Metales no ferrosos ultraligeros

Magnesio
Propiedades:
-
Densidad: 1,74 kg/dm3
-
Punto de fusión: 650 °C.
-
Resistividad: 0,8 W·mm2/m.
-
Resistencia a la tracción: 18Kg/mm2
-
Alargamiento: 5%
1.3 PRINCIPIOS FÍSICOS DEL MÉTODO DE CORRIENTES
INDUCIDAS11
La inspección por corrientes inducidas es uno de varios métodos de END que
utilizan el principio de "electromagnetismo" como base para la realización de los
exámenes.
Las corrientes de Eddy o Foucault se crean a través de un proceso llamado
inducción electromagnética. Cuando la corriente alterna se aplica a un conductor,
como alambre de cobre, un campo magnético se desarrolla en y alrededor del
conductor. Este campo magnético se expande a medida que aumenta la corriente
alterna y disminuye hasta desaparecer cuando la corriente se reduce a cero. Si
11
Ref. [4],[5] y [6]
20
otro conductor eléctrico se pone en la proximidad a este campo magnético
cambiante, una corriente será inducida en este segundo conductor.
Las corrientes de Eddy son corrientes eléctricas inducidas que fluyen en una
trayectoria circular. Reciben su nombre por los "remolinos (eddies)" que se forman
cuando un líquido o gas fluyen en una trayectoria circular, alrededor de los
obstáculos, cuando las condiciones son correctas.
Para generar corrientes de Eddy para una inspección, "una sonda" es usada que
se la puede representar como muestra la Figura 1.5 (a). Dentro de la sonda está
un filamento de conductor eléctrico en forma de rollo o bobina. Se deja fluir una
corriente alterna por la bobina, a una frecuencia escogida por el técnico,
dependiendo del tipo de prueba que se va a realizar (Figura 1.5 (b)).
Se forma un campo magnético en y alrededor de la bobina debido a la circulación
de corriente a través de la bobina, lo que se puede graficar como en la Figura 1.5
(c).
Cuando un material eléctricamente conductor es colocado en el campo dinámico
magnético de la bobina electromagnética, la inducción ocurrirá e inducirá
corrientes de Eddy en el material, lo que se representa en la Figura 1.5 (d).
Las corrientes de Eddy que fluyen en el material generarán su propio campo
"secundario" magnético que se opondrá el campo "primario" magnético de la
bobina (Figura 1.5 (e)).
Este proceso entero de inducción electromagnética para producir corrientes de
Eddy puede ocurrir varios cientos o varios millones de veces cada segundo
dependiendo de la frecuencia de inspección. Cuando un defecto es introducido al
material conductor, las corrientes de Eddy son interrumpidas, esto se ilustra en la
Figura 1.5 (f).
21
Figura 1.5. Descripción gráfica de inspección por corrientes de Eddy.
Una de las principales ventajas de la corriente de Eddy como herramienta para
END es la variedad de inspecciones y mediciones que se pueden realizar. En las
circunstancias apropiadas, las corrientes de Eddy se pueden utilizar para:

Detección de grietas

Mediciones de espesor de material

Mediciones de espesor de revestimiento

Mediciones de conductividad para:
-
Identificación de materiales
-
Detección de daño por calor
-
Determinación de profundidad
Algunas de las ventajas de la inspección por corrientes de Eddy incluyen:

Sensible a las pequeñas grietas y otros defectos

Detecta defectos en la superficie y cerca de la superficie

Inspección da resultados inmediatos

El equipo es portátil

El ensayo puede ser utilizado para mucho más que la detección de
defectos
22

La sonda de prueba no necesita ponerse en contacto con el objeto

Inspecciona formas y tamaños complejos de materiales conductores
Algunas de las limitaciones de la inspección por corrientes parásitas incluyen:

Sólo materiales conductores pueden ser inspeccionados

La superficie debe estar accesible a la sonda

La habilidad y la capacitación requerida es más extensa que otras técnicas

El acabado superficial y la rugosidad pueden interferir

Los patrones de referencia necesarios deben ser establecidos

La profundidad de penetración es limitada

Los defectos que se encuentran paralelos a la bobina de la sonda y a la
dirección de exploración de la sonda son indetectables
1.3.1 PROPIEDADES DE LA ELECTRICIDAD
Debido a que la inspección de corrientes de Eddy hace uso de la inducción
electromagnética, es importante saber acerca de los principios científicos de la
electricidad y el magnetismo. Se hará una breve revisión de los parámetros clave.

Electricidad
Es bien sabido que una de las partículas subatómicas de un átomo es el
electrón. Los átomos pueden, y por lo general tienen un número de electrones
que giran alrededor de su núcleo. Los electrones tienen una carga electrostática
negativa y bajo ciertas condiciones puede pasar de un átomo a otro. La dirección
del movimiento entre los átomos es aleatoria a menos que una fuerza haga que
los electrones se muevan en una dirección. Este movimiento direccional de
electrones debido a un desequilibrio de la fuerza es lo que se conoce como la
electricidad.

Corriente eléctrica
El flujo de electrones se mide en unidades llamadas amperios o amps., para
abreviar. Un amperio es la cantidad de corriente eléctrica que se produce cuando
un número de electrones, que tiene un Coulomb de carga, se mueven más allá de
23
un punto dado en un segundo. Un coulomb es la carga transportada por 6.25 x
10^18 electrones o 6,250,000,000,000,000,000 electrones.

Fuerza electromotriz
La fuerza que hace que los electrones se muevan en un circuito eléctrico se
denomina fuerza electromotriz o FEM . A veces es conveniente pensar en la FEM
como la presión eléctrica. En otras palabras, es la fuerza que hace que los
electrones se mueven en una dirección determinada dentro de un conductor. Hay
muchas fuentes de FEM, las más comunes son las baterías y los generadores
eléctricos.

El Voltio
La unidad de medida de la FEM es el voltio. Un voltio se define como la diferencia
electrostática entre dos puntos cuando un joule de energía se utiliza para mover
un culombio de carga de un punto a otro. Un joule es la cantidad de energía que
se consume cuando un vatio de potencia funciona por un segundo. Esto también
se conoce como un vatio-segundos. Para nuestros propósitos, basta con aceptar
el hecho de que un joule de energía es una cantidad muy, muy pequeña de
energía. Por ejemplo, un foco de 60 vatios consume unos 60 joules de energía
cada segundo que este encendido.

Resistencia
La resistencia es la oposición de un cuerpo o sustancia al paso de corriente
eléctrica a través de él, lo que resulta en un cambio de energía eléctrica en calor,
luz, u otras formas de energía. La cantidad de resistencia depende del tipo de
material. Los materiales
con baja resistencia
son buenos conductores de
electricidad. Los materiales con alta resistencia son buenos aisladores.
1.3.2 FLUJO DE CORRIENTE Y LA LEY DE OHM
La ley de Ohm es la más importante por ser la ley básica de la electricidad. Se
define la relación entre las tres magnitudes eléctricas fundamentales: corriente,
tensión y resistencia. Cuando se aplica un voltaje a un circuito que contiene sólo
24
elementos resistivos, la corriente fluye de acuerdo con la ley de Ohm, como se
muestra en la Figura 1.6.
Figura 1.6. Circuito Básico.
(1.1)
Donde:
I=
La corriente eléctrica
(amperios)
V = Tensión (voltaje)
R = Resistencia (ohmios)
La ley de Ohm, ecuación (1.1), afirma que la corriente eléctrica (I) que fluye en un
circuito es proporcional a la tensión (V) e inversamente proporcional a la
resistencia (R). Por lo tanto, si la tensión se incrementa, la corriente aumentará
siempre que la resistencia del circuito no cambie. De manera similar, el aumento
de la resistencia del circuito bajará el flujo de corriente si la tensión no se cambia.
Figura 1.7. Gráficas de Corriente y Voltaje (Ley de Ohm).
25
La corriente y voltaje se muestran en la Figura 1.7, como se muestran en un
osciloscopio con el tiempo, eje X y el eje Y es la amplitud de la corriente o
tensión.
Ley de Ohm es válida tanto para corriente continua (DC) y corriente alterna (AC).
1.3.3 INDUCCIÓN E INDUCTANCIA
En 1824, Oersted descubrió que la corriente que pasa a través de una bobina
crea un campo magnético capaz de desplazar una aguja de la brújula. Siete años
más tarde, Faraday y Henry descubrieron todo lo contrario. Se dieron cuenta de
que un campo magnético móvil podría inducir corriente en un conductor eléctrico,
como se muestra en la Figura 1.8. Este proceso de generación de corriente
eléctrica en un conductor mediante la colocación del conductor en un campo
magnético
variable
se
llama inducción
electromagnética
o
simplemente
inducción.
Se llama inducción porque la corriente se dice que es inducida en el conductor por
el campo magnético.
Figura 1.8. Inducción.
Faraday también notó que la velocidad a la que el campo magnético cambia
también tenía un efecto sobre la cantidad de corriente o tensión que se indujo. La
Ley de Faraday para un conductor desenrollado, dice que la cantidad de tensión
inducida es proporcional a la velocidad de cambio de líneas de flujo que cortan el
conductor. Ley de Faraday para un alambre recto se escribe en la ecuación (1.2).
26
(1.2)
Donde:
V L = la tensión inducida en voltios
dØ / dt = la variación del flujo magnético en webers / segundo
La inducción se mide en unidades de henrios (H), lo que refleja esta dependencia
de la velocidad de cambio del campo magnético. Un Henrio es la cantidad de
inductancia que se requiere para generar un voltio de voltaje inducido cuando la
corriente está cambiando en una relación de un amperio por segundo. Nótese que
es la corriente la que se utiliza en la definición en lugar de campo magnético. Esto
es porque la corriente puede ser usada para generar el campo magnético y es
más fácil de medir y controlar que el flujo magnético.

Inductancia
Cuando se produce la inducción en un circuito eléctrico y afecta el flujo de
electricidad se denomina inductancia, L. La auto-inductancia, o simplemente
inductancia, es la característica de un circuito por el cual un cambio en la corriente
causa un cambio en el voltaje en el mismo circuito. Cuando un circuito induce un
flujo de corriente en un segundo circuito, cercano, se conoce como inducción
mutua. La Figura 1.9 muestra un ejemplo de inducción mutua. Cuando una
corriente alterna fluye a través de un trozo de alambre en un circuito, un campo
electromagnético se produce, este está en constante crecimiento y la contracción,
y cambiando de dirección debido a que la corriente cambia constantemente en el
alambre. Este campo magnético cambiante induce corriente eléctrica en otro hilo
o circuito que se acerca al alambre del circuito primario. La corriente en el
segundo alambre será también de corriente alterna y, de hecho, será muy similar
a la corriente que fluye en el primer alambre. Un transformador eléctrico utiliza la
inductancia para cambiar el voltaje de la electricidad a un nivel más útil. En los
ensayos no destructivos, la inductancia se utiliza para generar corrientes de Eddy
en la pieza a inspeccionar.
27
Figura 1.9. Inducción Mutua
1.3.4 AUTO-INDUCTANCIA Y REACTANCIA INDUCTIVA
La auto-inductancia es una forma particular de la inducción electromagnética.
Auto-inductancia se define como la inducción de un voltaje en un hilo conductor
de corriente cuando la corriente en el propio alambre está cambiando. En el caso
de la auto-inductancia, el campo magnético creado por una corriente variable en
el propio circuito induce una tensión en el mismo circuito. Por lo tanto, el voltaje es
auto-inducido.
El término inductor se utiliza para describir un elemento del circuito que posee la
característica de la inductancia y una bobina de alambre es un inductor muy
común.
La corriente alterna que pasa por la bobina crea un campo magnético dentro y
alrededor de la bobina que está aumentando y disminuyendo, como cambia la
corriente. El campo magnético forma bucles concéntricos que rodean el alambre y
se unen para formar grandes bucles que rodean la bobina como se muestra en la
Figura 1.10. Cuando la corriente aumenta en un bucle del campo magnético en
expansión, cortará a través de algunos o todos los bucles vecinos del alambre,
induciendo una tensión en estos bucles. Esto provoca una tensión que es
inducida en la bobina cuando la corriente está cambiando.
28
Figura 1.10. Campo Magnético en una Bobina
Al estudiar la Figura Nº 1.10, de una bobina, se puede observar que el número de
espiras en la bobina tendrá un efecto sobre la cantidad de voltaje que se induce
en el circuito. El aumento del número de vueltas o la tasa de cambio del flujo
magnético aumenta la cantidad de tensión inducida. Por lo tanto, la Ley de
Faraday debe ser modificada para una bobina de alambre y se convierte en:
(1.3)
Donde:
V L = tensión inducida en voltios
N = número de vueltas en la bobina de
dØ / dt = tasa de variación del flujo magnético en webers / segundo
La ecuación (1.3) simplemente indica que la cantidad de voltaje inducido (VL) es
proporcional al número de espiras en la bobina y la tasa de cambio del flujo
magnético (dØ/dt). En otras palabras, cuando la frecuencia del flujo se incrementa
o el número de espiras en la bobina se incrementa, la cantidad de tensión
inducida también aumentará.
En un circuito, es mucho más fácil medir la corriente que medir el flujo magnético,
por lo que la ecuación (1.4) puede ser utilizada para determinar la tensión
inducida si la inductancia y la frecuencia de la corriente son conocidas.
29
(1.4)
Donde:
V L = la tensión inducida en voltios
L = el valor de la inductancia en henrios
di / dt = la tasa de cambio de la corriente en amperios por segundo

Ley de Lenz
Poco después de que Faraday propuso su ley de la inducción, Heinrich Lenz
desarrollado una regla para determinar la dirección de la corriente inducida en un
bucle. Básicamente, la ley de Lenz dice que una corriente inducida tiene una
dirección tal que su campo magnético se opone al cambio en el campo magnético
que induce la corriente. Esto significa que la corriente inducida en un conductor se
opondrá a la variación de corriente que está causando el flujo a cambiar. Ley de
Lenz es importante para entender la característica de reactancia inductiva, que es
una de las propiedades medidas en las pruebas de corriente de Eddy.

Reactancia inductiva
La reducción del flujo de corriente en un circuito debido a la inducción se
denomina reactancia inductiva. Al trabajar con una bobina de alambre y la
aplicación de la Ley de Lenz, se puede entender cómo la inductancia reduce el
flujo de corriente en el circuito. La corriente inducida trabajando al contrario de la
corriente primaria provoca una reducción del flujo de corriente en el circuito.
Cabe señalar que la reactancia inductiva aumentará si el número de vueltas en la
bobina se incrementa puesto que el campo magnético de una bobina tendrá más
bobinas para interactuar.
De manera similar a la resistencia, la reactancia inductiva reduce el flujo de
corriente en un circuito. Sin embargo, es posible distinguir entre la resistencia y la
reactancia inductiva en un circuito mirando el tiempo entre las ondas sinusoidales
de la tensión y corriente de la corriente alterna. En un circuito de corriente alterna
que contiene sólo componentes resistivos, la tensión y la corriente estarán en
30
fase, lo que significa que los picos y valles de las ondas sinusoidales ocurrirán al
mismo tiempo. Cuando hay una reactancia inductiva presente en el circuito, la
fase de la corriente se desplaza de modo que sus picos y valles no ocurren al
mismo tiempo que los de la tensión.
1.3.5 INDUCTANCIA MUTUA (La Base de la Inspección por corrientes de Eddy)
El flujo magnético a través de un circuito puede estar relacionado con la corriente
en dicho circuito y las corrientes en otros circuitos cercanos, suponiendo que no
hay imanes permanentes cerca., como se muestra en la Figura 1.11.
Figura 1.11. Inductancia Mutua
El campo magnético producido por el circuito 1 atraviesa el cable en el circuito 2 y
crea un flujo de corriente. El flujo de corriente inducida en el circuito 2 tendrá su
propio campo magnético que interactúa con el campo magnético del circuito 1. En
algún punto P, el campo magnético se compone de una parte debido a la i1 y una
parte debido a i2. Estos campos son proporcionales a las corrientes que los
producen. Las bobinas en los circuitos están designadas con L 1 y L 2 y este
término representa la auto-inductancia de cada una de las bobinas. Los valores
de L 1 y L 2 depende de la disposición geométrica del circuito (es decir, número
de vueltas en la bobina) y la conductividad del material. La constante M, llamada
la inductancia mutua de los dos circuitos, es dependiente de la disposición
geométrica de los dos circuitos. En particular, si los circuitos están muy
separados, el flujo magnético a través del circuito 2 debido a la corriente i1 será
pequeño y la inductancia mutua será pequeña. L 1 y M son constantes.
31
Se puede escribir el flujo, ΦB a través del circuito 2 como la suma de dos partes,
ecuación (1.5).
(1.5)
Una ecuación similar a la anterior se puede escribir para el flujo a través del
circuito 1, ecuación (1.6).
(1.6)
Aunque no es obvio, se puede demostrar que la inductancia mutua es la misma
para ambos circuitos. Por lo tanto, puede representarse como la ecuación (1.7):
(1.7)

Cómo se utiliza la inducción mutua en la inspección de corrientes de
Foucault?12
En la inspección por corrientes de Eddy, las corrientes parásitas se generan en el
material de ensayo debido a la inducción mutua. La sonda de prueba es
básicamente una bobina de alambre a través del cual se hace pasar corriente
alterna. Por lo tanto, cuando la sonda está conectada a un instrumento
“eddyscope”, que está básicamente representado por el circuito 1 de la Figura
1.11. El segundo circuito puede ser cualquier trozo de material conductor, como
se representa en la Figura 1.12(a).
Cuando la corriente alterna pasa a través de la bobina, un campo magnético es
generado en y alrededor de la bobina. Cuando la sonda se pone en estrecha
proximidad a un material conductor, tal como aluminio, el campo magnético
cambiante de la sonda genera un flujo de corriente en el material. La corriente
inducida fluye en bucles cerrados en planos perpendiculares al flujo magnético,
esto se puede representar como se muestra en la Figura 1.12(b).
12
Ref. [5]
32
Las corrientes de Eddy producen sus propios campos magnéticos que interactúan
con el campo magnético primario de la bobina, como se ilustra en la Figura
1.12(c). Al medir los cambios en la resistencia y la reactancia inductiva de la
bobina, se puede conseguir información acerca del material de ensayo. Esta
información incluye la conductividad eléctrica y la permeabilidad magnética del
material, la cantidad de material que corta a través del campo magnético de las
bobinas, y la condición del material (es decir, si contiene grietas u otros defectos).
(a)
(b)
(c)
Figura 1.12. Inducción mutua en la inspección de corrientes de Eddy.
La distancia a la que se encuentra la bobina del material conductor se
llama liftoff, y esta distancia afecta a la inductancia mutua de los circuitos. El
liftoff puede ser utilizado para hacer las mediciones del espesor de los
recubrimientos no conductores, tales como pintura, que mantienen a la sonda a
una cierta distancia de la superficie del material conductor.
En las gráficas de la Figura 1.13, se puede observar la sonda y la muestra en
sección transversal. Las cajas representan el área en sección transversal de un
grupo de espiras en la bobina. La distancia de liftoff y el valor de la corriente de la
sonda se varían para ver los efectos del campo magnético compartido como se
ilustra en la Figura Nº 1.13 (a) (b) y (c).
El valor del liftoff se puede ajustar a 0,1 o menos y el valor de la corriente se
puede variar desde 0,01 hasta 1,0. La fuerza del campo magnético se muestra
por la oscuridad de las líneas.
33
(a) Liftoff 0.02/ I 0.5
(b) Liftoff 0.1/ I 0.3
(c) Liftoff 0.001/ I 1
Figura 1.13. Campo magnético con liftoff y corriente variables.
34
1.3.6 CIRCUITO Y FASE
Un circuito puede ser considerado como un camino cerrado en el que la corriente
fluye a través de los componentes que forman el circuito. La corriente (i) obedece
a la ley de Ohm. El circuito de la Figura 1.14 se compone de una fuente de voltaje
(en este caso una fuente de tensión alterna de corriente) y una resistencia. El
gráfico inferior de la figura Nº 1.14 muestra el valor de la tensión y la corriente
para este circuito durante un período de tiempo. Este gráfico muestra un ciclo
completo de una fuente de corriente alterna. A partir del gráfico, se puede
observar que a medida que aumenta la tensión, la corriente hace lo mismo. El
voltaje y la corriente, se dice, que están "en fase" debido a que su cero, pico y de
valle se producen al mismo tiempo. También son directamente proporcionales
entre sí.
Figura 1.14. Circuito Resistivo.
En el circuito de la Figura 1.15, el componente resistivo ha sido sustituido por un
inductor. Cuando la inductancia se introduce en un circuito, la tensión y la
corriente estarán "desfasados", lo que significa que el voltaje y la corriente no se
cruzan en cero, o llegar a sus picos y valles, al mismo tiempo. Cuando un circuito
tiene un componente inductivo, la corriente (i L) se retrasará al voltaje en una
cuarta parte de ciclo. Un ciclo se refiere a 360°, por lo que puede decirse que la
corriente está retrasada respecto al voltaje en 90°.
35
Este desfase ocurre porque la reactancia inductiva cambia con la magnitud de la
corriente. Recordemos que es el campo magnético cambiante causado por una
corriente variable que produce reactancia inductiva. Cuando el cambio en la
corriente es mayor, la reactancia inductiva será más grande, y el voltaje a través
del inductor será más alto. Cuando el cambio en la corriente es cero, la reactancia
inductiva será cero y la tensión en la bobina será cero. Considerando los puntos,
donde la corriente alcanza su amplitud de pico y cambia de dirección, en el gráfico
inferior de la Figura 1.15 (0°, 180°, y 360°). A medida que la corriente está
cambiando de dirección, existe un tiempo muy corto, cuando el cambio en la
corriente es cero y no se genera ningún campo magnético para producir la
reactancia inductiva. Cuando la reactancia inductiva es cero, la tensión a través
del inductor es cero.
Figura 1.15. Circuito Inductivo.
Los componentes resistivos e inductivos son los de principal interés en las
pruebas de corrientes parásitas, ya que la sonda de prueba es básicamente una
bobina de alambre, que tiene resistencia y reactancia inductiva. Sin embargo,
existe una pequeña cantidad de capacitancia en los circuitos. El circuito de la
Figura 1.16 se compone de una fuente de voltaje de corriente alterna y un
condensador. La capacitancia en un circuito hace que la corriente (iC) se adelante
a la tensión en una cuarta parte de un ciclo (90o corriente de adelanto).
Cuando hay resistencia y reactancia inductiva (y / o capacitancia) en un circuito, la
oposición combinada al flujo de corriente se conoce como impedancia.
36
Figura 1.16. Circuito Capacitivo.
1.3.7 IMPEDANCIA
La impedancia (Z), es la oposición total que un circuito presenta a la corriente
alterna. La impedancia se mide en ohmios y pueden incluir resistencia
(R), reactancia
inductiva (XL)
y la
reactancia
capacitiva (XC). Dado
que
la
reactancia inductiva y reactancia capacitiva están desfasadas 90° con la
resistencia y, por tanto, sus valores máximos se producen en momentos
diferentes, se debe utilizar la suma de vectores para calcular la impedancia.
En la Figura 1.17, se muestra un diagrama que representa un sistema, de
inspección por corrientes de Eddy. La sonda de corrientes parásitas es una
bobina de alambre, de modo, que contiene reactancia inductiva y resistencia al
utilizarla con corriente alterna. La reactancia capacitiva puede ser despreciada,
debido a que en la mayoría de las sondas de corrientes de Eddy, su valor es muy
pequeño. La línea sólida en el gráfico a continuación muestra la corriente total del
circuito, que es afectada por la impedancia total del circuito. Las dos líneas
discontinuas representan la porción de la corriente que se ve afectada por las
componentes, resistencia y reactancia inductiva individualmente.
37
Figura 1.17. Circuito Resistivo-Inductivo.
La relación entre la impedancia y sus componentes individuales (resistencia y
reactancia inductiva) se puede representar mediante un vector como se muestra
en la Figura 1.18. La amplitud de la componente de resistencia se muestra por un
vector a lo largo del eje X y la amplitud de la reactancia inductiva se muestra por
un vector a lo largo del eje y. La amplitud de la impedancia se muestra por un
vector que se extiende desde cero hasta un punto que representa tanto el valor de
resistencia en la dirección x, y la reactancia inductiva en la dirección y. Un
instrumento de corrientes de Eddy, que grafique el plano de impedancia, presenta
la información en este formato.
Figura 1.18. Plano de Impedancia.
38
La impedancia en un circuito con resistencia y reactancia inductiva se puede
calcular utilizando la ecuación (1.8).
√(
El ángulo
de
fase del
circuito
también
)
(1.8)
puede
ser
calculado
utilizando
trigonometría. El ángulo de fase es igual a la relación entre la inductancia y la
resistencia en el circuito. Con las sondas y los circuitos utilizados en los ensayos
no destructivos, la capacitancia por lo general se puede ignorar, por lo que sólo la
reactancia inductiva debe tenerse en cuenta en el cálculo. El ángulo de fase se
puede calcular utilizando la ecuación (1.9).
⁄

O
(
⁄ )
(1.9)
Impedancia y Ley de Ohm
Anteriormente, la Ley de Ohm fue discutida para un circuito puramente resistivo.
Cuando existe reactancia inductiva o reactancia capacitiva presente en el circuito,
la ley de Ohm debe ser escrita para incluir el total de impedancia en el
circuito. Por lo tanto, la ley de Ohm se convierte en la ecuación (1.10):
(1.10)
La ley de Ohm ahora simplemente indica que la corriente (I), en amperios, es
proporcional a la tensión (V), en voltios, dividido para la impedancia (Z), en
ohmios.
En los gráficos de la Figura 1.19 se puede ver cómo la corriente y el voltaje de un
circuito se ven afectados por la impedancia. La tensión y corriente se pueden
observar cómo se muestran en un osciloscopio. Nótese que la resistencia y/o los
valores de reactancia inductiva se deben cambiar para cambiar la impedancia en
el circuito.
39
Figura 1.19. Gráficas de Corriente y Voltaje en Circuito R-L.
Nótese también que cuando hay inductancia en el circuito, la tensión y la corriente
están fuera de fase. Esto se da porque la tensión en la bobina aumentará cuando
la variación de cambio de la corriente es mayor.
1.3.8 PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN Y DENSIDAD DE CORRIENTE
Las corrientes de Eddy son bucles cerrados de corriente inducida que circulan en
planos perpendiculares al flujo magnético. Su viaje, que es paralelo al devanado
la bobina y al flujo, se limita a la zona del campo magnético inductor. Las
corrientes de Eddy se concentran cerca de la superficie adyacente a la bobina de
excitación y su fuerza disminuye con la distancia desde la bobina como se
40
muestra en la Figura 1.20. La densidad de corriente de Eddy disminuye
exponencialmente con la profundidad. Este fenómeno se conoce como el efecto
skin (piel).
Figura 1.20. Intensidad y Profundidad de las corrientes de Eddy.
El efecto skin se produce cuando las corrientes parásitas que fluyen en el objeto
de prueba, a cualquier profundidad, producen campos magnéticos que se oponen
al campo primario, reduciendo así el flujo magnético neto y causando una
disminución en el flujo de corriente a medida que aumenta la profundidad.
Figura 1.21. Profundidad de Penetración de las corrientes de Eddy.
La profundidad de penetración disminuye al aumentar la frecuencia y aumentar la
conductividad y la permeabilidad magnética, esto puede ser representado como
se muestra en la Figura 1.21. La profundidad, a la que la densidad de corriente de
Eddy, ha disminuido a 1/e, o aproximadamente 37% de la densidad superficial, se
llama la profundidad de penetración estándar (). La palabra "estándar" denota
una onda de campo electromagnético plana, dentro de la muestra (condiciones
que rara vez se alcanzan en la práctica).
41
Dado que la sensibilidad de una inspección por corrientes parásitas depende de la
densidad de corriente de Eddy en la ubicación del defecto, es importante conocer
la fuerza de las corrientes de Eddy en ese lugar. Al intentar localizar defectos, la
frecuencia se selecciona de modo que localice la profundidad del defecto,
esperado que esté dentro de la profundidad estándar de penetración. Esto ayuda
a asegurar que la fuerza de las corrientes de Eddy será suficiente para producir
una indicación de falla.
Cuando se utiliza las corrientes parásitas para medir la conductividad eléctrica de
un material, la frecuencia a menudo se establece para que se produzcan tres
profundidades estándar de penetración dentro del material. Esto ayuda a asegurar
que las corrientes de Foucault serán tan débiles en el lado posterior del material,
que los cambios en el espesor del material no afectarán a las mediciones de las
corrientes parásitas.
Los gráficos de la Figura 1.22 muestran cómo cambia la densidad de corrientes
de Eddy en diferentes materiales conductores ( a) Cobre, b) Aluminio, c)
Hierro). Para calcular la profundidad de penetración estándar se utiliza la
ecuación (1.11):
⁄√
Donde:
 = Profundidad de penetración estándar (mm)
 = 3.14
f = Frecuencia de prueba (Hz)
 = Permeabilidad magnética (H/mm)
 = Conductividad eléctrica (% IACS)

(1.11)
42
a) Cobre
b) Aluminio
c) Hierro
Figura 1.22. Ejemplos de Densidad y Profundidad de corrientes de Eddy.
43
1.3.9 RETRASO DE FASE
El retraso de fase es un parámetro de la señal de corriente de Eddy, el cual, hace
que sea posible obtener información acerca de la profundidad de un defecto
dentro de un material. El retraso de fase es el cambio en el tiempo entre la
respuesta de corrientes parásitas desde una interrupción en la superficie y una
interrupción a cierta distancia por debajo de la superficie. La generación de
corrientes de Eddy puede ser considerado como un proceso dependiente del
tiempo, lo que significa que las corrientes de Eddy debajo de la superficie toman
un poco más de tiempo para formarse, de las situados en la superficie.
Las interrupciones en las corrientes de Foucault, a mayor distancia de la
superficie, producen más retardo de fase que las interrupciones cercanas a la
superficie. Tanto el voltaje de la señal y la corriente tendrá este cambio de fase o
desfase con la profundidad, que es diferente del ángulo de fase que se describió
anteriormente. (Con el ángulo de fase, la corriente se desplaza con respecto a la
tensión).
El retraso de fase es un parámetro importante en las pruebas de corriente de
Foucault, ya que hace posible estimar la profundidad de un defecto, y con
muestras de referencia apropiadas, determinar el tamaño aproximado de un
defecto. La señal producida por un defecto depende tanto de la amplitud y fase de
las corrientes de Eddy, siendo interrumpidas. Un defecto superficial pequeño y un
defecto interno grande, pueden tener un efecto similar sobre la magnitud de
impedancia en la bobina de prueba. Sin embargo, debido a que el retardo de fase
aumenta con la profundidad, habrá una diferencia en el vector de impedancia de
la bobina.
El retardo de fase se puede calcular con la ecuación (1.12). El ángulo de retardo
de fase calculado con esta ecuación es útil para estimar la profundidad subsuperficial de una discontinuidad, que se concentra en una profundidad
específica. Las discontinuidades, como una grieta que se extiende en muchas
profundidades, deben ser divididas en secciones a lo largo de su longitud y en un
44
promedio ponderado determinado por la fase y amplitud, en cada posición por
debajo de la superficie.
En
radianes
(1.12)
En
Grados
Donde:
 = Retardo de Fase (Rad o grados)
x = Distancia debajo de la superficie (en mm)
 = Profundidad de penetración estándar (en mm )
En una profundidad estándar de penetración, el retardo de fase es un radián o 57°
aproximadamente. Esto significa que las corrientes de Eddy que fluyen a una
profundidad de penetración estándar () por debajo de la superficie, se retrasan a
las corrientes superficiales en 57°. En dos profundidades de penetración estándar
(2), se retrasan a las corrientes superficiales en 114°. Por lo tanto, al medir el
retardo de fase de una señal, la profundidad de un defecto puede ser calculada.
En el plano de impedancia, la señal de liftoff sirve como la dirección de fase de
referencia. El ángulo entre las señales de liftoff y defecto es aproximadamente
dos veces el retardo de fase calculada con la ecuación anterior.
En las gráficas de la Figura 1.23 se representa la relación entre la profundidad y
las dimensiones de una discontinuidad y la rotación producida en el plano de
impedancia. Las líneas rojas representan la fuerza relativa del campo magnético
de la bobina y las líneas discontinuas indican el retardo de fase de las corrientes
de Eddy inducidas, a una profundidad determinada.
45
a) Defecto Sub-Superficial
c) Defecto Superficial
b) Profundidad de Defecto Superficial
d) Comparación de las Señales dadas
por todos los Defectos
Figura 1.23. Representación en el plano de impedancia de Defectos Físicos.
46
1.4
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DEL PROTOCOLO
ZIGBEE13
Varios servicios en la casa conducen a la necesidad de comunicaciones. Internet,
conectividad de Multiordenador personal, automatización doméstica, conservación
de energía y seguridad. Algunos usos exigen una tarifa baja y varios protocolos
de bajo consumo de electricidad. Para satisfacer esta necesidad en el 2000, IEEE
el Nuevo Comité de Normas (NesCom) introdujo una red inalámbrica de área
personal de bajo consumo (LR-WPAN) el estándar, llamado 802.15.4. En el 2003,
Zigbee Alliance introdujo el protocolo Zigbee estándar.
El estándar IEEE 802.15.4 define las características de las capas física y MAC
para LR-WPANS, como se observa en la Figura 1.24. Zigbee construye sobre el
estándar IEEE 802.15.4 y define los datos específicos de capa de red y
proporciona una estructura para el programa de uso en la capa de aplicación.
Figura 1.24. Modelo basado en el modelo OSI14.
13
14
http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee
http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee
47
ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto
nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radios digitales de bajo
consumo que se basa en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de
área personal (Wireless Personal Area Network, WPAN). Su objetivo son las
aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de
datos y maximización de la vida útil de sus baterías.
1.4.1 IEEE 802.15.4 CAPA FÍSICA (PHY)15
Los valores más característicos del estándar se presentan en la Tabla 1.4:
Tabla 1.4. Valores Característicos del protocolo IEEE 802.15.4.
Bandas de Frecuencia - Rango de Transmisión de
868 MHz – 20kb/s
Datos
915MHz – 40kb/s
2.4 GHz – 250kb/s
Alcance 10 – 20 m.
Latencia < 15 ms
Canales 868/915 MHz: 11 Canales
2.4 GHz: 16 Canales
Modos de Direccionamiento 64 bits IEEE
Canal de Acceso CSMA-CA
Seguridad 128 AES
Red Hasta 264 dispositivos
Rango de Temperatura -40º a +85º C
Bandas de Frecuencia - Rango de Transmisión de
868 MHz – 20kb/s
Datos
915MHz – 40kb/s
2.4 GHz – 250kb/s
La capa física es la capa de red más básica, proporcionando únicamente los
medios para transmitir bit a bit sobre un enlace de datos físico conectado a nodos
de red. Las cadenas de bits pueden ser agrupadas en palabras codificadas o
símbolos, y convertidas a señales físicas, que son transmitidas sobre un medio de
transmisión físico.
La capa física proporciona un interfaz eléctrico, mecánico y procedimental para el
medio de transmisión. En este nivel se especifican las características de los
15
http://es.wikipedia.org/wiki/Nivel_físico
48
conectores eléctricos, sobre que frecuencias retransmitir, que esquema de
modulación usar y parámetros de bajo nivel similares.
1.4.1.1 Canales IEEE 802.15.416
En el IEEE 802.15.4 se definen 27 canales de frecuencia entre las tres bandas
anteriormente mencionadas, los que se representan en la Figura 1.25. La PHY de
los 868/915MHz soporta un sólo canal entre los 868 y los 868.6 MHz , y diez
canales entre los 902.0 y 915.0MHz. Debido al soporte regional de esas dos
bandas de frecuencias, es muy improbable que una sola red utilice los 11 canales.
Sin embargo, las dos bandas se consideran lo suficientemente cercanas en
frecuencia y pueden utilizar el mismo hardware y así reducir los costos de
fabricación. La PHY de los 2.4 GHz soporta 16 canales entre los 2.4 y los 2.4835
GHz con un amplio espacio entre canales (5 MHz) con el objetivo de facilitar los
requerimientos de filtrado en la transmisión y en la recepción.
Figura 1.25
Canales del IEEE 802.15.4
1.4.1.2 Modulación
La PHY en los 868/915 MHz utiliza una aproximación simple DSSS en la cual
cada bit transmitido se representa por un chip -15 de máxima longitud de
secuencia (secuencia m). Los datos binarios son codificados al multiplicar cada
16
Ref. [7]
49
secuencia m por +1 o -1, y la secuencia de chip que resulta se modula dentro de
la portadora utilizando BPSK (Binary Phase Shift Keying). Antes de la modulación
se utiliza una codificación de datos diferencial para permitir una recepción
diferencial coherente de baja complejidad. La capa física a 2.4 GHz, por su parte,
emplea una técnica de modulación semi-ortogonal basada en métodos DSSS
(con propiedades similares).
Los datos binarios están agrupados en símbolos de 4 bits, y cada símbolo
especifica una de las 16 secuencias de transmisión semi-ortogonales de código
de pseudo-ruido (PN). Las secuencias PN son concadenadas para que sean
datos de símbolos exitosos, y la secuencia agregada al chip es modulada en la
portadora utilizando MSK (Minimum Shift Keying). El uso de símbolos “casi
ortogonales” simplifica la implementación a cambio de un desempeño ligeramente
menor (< 0.5 dB). En la Figura 1.26 se representa el envío de datos.
En términos de eficiencia (energía requerida por bit), la señalización ortogonal
mejora su funcionamiento en 2 dB sobre la BPSK diferencial. Sin embargo, en
términos de sensibilidad de recepción, la capa física 868/915 MHz tiene una
ventaja de 6-8 dB debido a que tiene velocidades de transmisión más bajas.
Figura 1.26. Envío de Datos17.
1.4.1.3 Sensibilidad y potencia18
Las especificaciones actuales de sensibilidad de la norma IEEE 802.15.4
especifican –85dBm para la capa física a 2.4GHz y -92dBm para la capa de física
a 868-915MHz. Dichos valores incluyen margen suficiente para las tolerancias
17
18
Ref [7].
Ref [7].
50
que se requieren debido a las imperfecciones en la fabricación, de la misma
manera que permite implementar aplicaciones de bajo coste. En cada caso, los
mejores equipos deben ser del orden de 10dB mejores que las especificaciones.
Naturalmente, el rango deseado estará en función de la sensibilidad del receptor,
así como de la potencia del transmisor. El estándar IEEE 802.15.4 especifica que
cada dispositivo debe de ser capaz de transmitir al menos a 1mW, pero
dependiendo de las necesidades de la aplicación, la potencia de transmisión
puede ser mayor o menor para aprovechar la energía.
Los dispositivos típicos (1mW) deben cubrir un rango de entre 10-20 m; sin
embargo, con una buena sensibilidad y un incremento moderado en la potencia
de transmisión, una red con topología tipo estrella puede proporcionar una
cobertura total para espacios pequeños. Para aplicaciones que requieran mayor
tiempo de latencia, la topología tipo punto a punto ofrece una alternativa atractiva
con buenas coberturas en distancias cortas, dado que cada dispositivo sólo
necesita suficiente energía para comunicarse con su vecino más cercano.
1.4.2 IEEE 802.15.4 CAPA MAC19
1.4.2.1 Capa de enlace de datos
IEEE 802 divide la capa de enlace de datos (DLL) en dos subcapas, la subcapa
de enlace de acceso a medios (MAC) y la de control de enlaces lógicos (Logical
link control, LLC). El LLC es común a todos estándares 802, mientras que la
subcapa MAC depende del hardware y varía respecto a la implementación física
de esta capa.
La capa MAC proporciona dos servicios, teniendo acceso por dos VIAS como se
observa en la Figura 1.27:
19
Ref. [7] y [8]
51

El servicio de datos MAC, teniéndolo acceso por la subcapa de parte
común (MCPS), vía de datos (MCPSSAP).

El servicio de dirección de MAC, tenido acceso por el MLMESAP.
Figura 1.27. Acceso de Vías20.
Las características de IEEE 802.15.4 son.

Asociación y disociación.

Entrega de marco reconocida.

Canaliza el mecanismo de acceso.

validación de estructura

Dirección de intervalo de tiempo garantizada.

Dirección de faro.
El formato general de las tramas MAC se diseño para ser muy flexible y que se
ajuste a las necesidades de las diferentes aplicaciones con diversas topologías de
red al mismo tiempo que se mantenía un protocolo simple.
El formato general de una trama MAC se muestra en la Figura 1.28. A la trama del
MAC se le denomina unidad de datos de protocolos MAC (MPDU) y se compone
del encabezado MAC (MHR), unidad de servicio de datos MAC (MSDU) y pie de
MAC (MFR).
El primer campo del encabezado de trama es el campo de control. Este indica el
tipo de trama MAC que se pretende trasmitir, especifica el formato y la dirección
20
Ref. [7]
52
de campo y controla los mensajes de enterado. En pocas palabras, la trama de
control especifica como es el resto de la trama de datos y que es lo que contiene.
El tamaño de las direcciones puede variar entre 0 y 20 bytes. Por ejemplo, una
trama de datos puede contener información de la fuente y del destinatario,
mientras que la trama de enterado no contiene ninguna información de ninguna
dirección.
Por otro lado, una trama de guía solo tiene información de la dirección de la
fuente. Esta flexibilidad en la estructura ayuda a incrementar la eficiencia del
protocolo al mantener los paquetes lo más reducidos posible.
Figura 1.28. Formato general de la trama a.C.
El campo llamado apiolad es variable en longitud; sin embargo, la trama completa
de a.C. no debe de exceder los 127 bates de información. Los datos que lleva el
apiolad dependen del tipo de trama. El estándar i.e. 802.15.4 tiene cuatro
diferentes tipos de tramas. Estas son la trama de guía (Figura 1.29), de datos
(Figura 1.30), tramas de enterados (Figura 1.31) y tramas de comandos a.C.
(Figura 1.32).
Figura 1.29. Trama de guía, usada por un coordinador para enviar guías.
53
Figura 1.30. Trama de datos, usada para todas las transferencias de datos.
Figura 1.31. Trama de enterados, para confirmar el éxito de la
recepción de la trama.
Figura 1.32. Trama de comandos MAC, para manejo de todas las transferencias de
control.
Solo las tramas de datos y de guía contienen información proveniente de capas
superiores; las tramas de mensajes de enterado y la de comandos MAC
originados en el MAC son usadas para comunicaciones MAC punto a punto. Otros
campos en la trama MAC son una secuencia de números al igual que tramas de
chequeo (FCS). La secuencia de números en los encabezados enlaza a las
tramas de acknowledgment con trasmisiones anteriores. La transmisión se
considera exitosa solamente cuando la trama de enterado contiene la misma
secuencia de números que la secuencia anterior trasmitida. Las FCS ayudan a
verificar la integridad de las tramas del MAC.
54
1.4.2.1.1 Control de enlaces lógicos21
Es la más alta de las dos subcapas de enlace de datos definidas por el IEEE y la
responsable del control de enlace lógico. La subcapa LLC maneja el control de
errores, control del flujo, entramado y direccionamiento de la subcapa MAC. En
ella se contemplan los protocolos y las interfaces.
El estándar IEEE incluye esta subcapa que añade las etiquetas estándar de 8-bit
DSAP (Destination Service Access Point) y SSAP (Source Service Access Point)
a los paquetes del tipo de conexión. También hay un campo de control de 8 o 16
bits usado en funciones auxiliares como Control de flujo. Hay sitio para 64
números SAP globalmente asignados.
1.4.2.2 Redes tipo estrella y peer to peer22
La topología a escoger es una elección de diseño y va a estar dada por la
aplicación a la que se desee orientar; algunas aplicaciones como periféricos,
requieren de conexiones de baja potencia de tipo estrella, mientras que otras
como los perímetros de seguridad requieren de una mayor área de cobertura por
lo que es necesario implementar una red peer-to-peer. En la Figura 1.33 se
observan las diferentes topologías para ZigBee.
La topología de estrella define el modelo de red de master-slave (maestroesclavo). El amo es un FFD y los esclavos pueden ser FFDS O RFDS.
En una topología red y de árbol, un FFD puede dirigirse a otro FFDS dentro de la
extensión de su radio y puede retransmitir mensajes a otro FFDS fuera de su
radio de cobertura por un FFD intermedio, formando una red de multi-salto.
La topología red es una topología verdadera peer to pear, donde las guías no son
aplicados.
21
22
http://es.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.2 y http://es.wikipedia.org/wiki/Control_de_enlace_l%C3%B3gico
http://www.zigbee.org
55
Figura 1.49. Diferentes Topologías para ZigBee.
1.4.3 ZigBEE23
Las responsabilidades de la capa de red ZigBee son:

Inicializar una red (NLME): La capacidad de establecer satisfactoriamente
una nueva red.

Unirse y dejar una red (NLME): La capacidad de ganar miembros (agrupar)
o eliminar miembros (abandonar) una red.

Configuración de un nuevo dispositivo (NLME): La capacidad de
configuración requerida para una operación.

Dirección (NLME): La capacidad de un coordinador, ZigBee, para asignar
direcciones a dispositivos que unen la red.

Topología específica de enrutamiento (NLDE): La capacidad de transmitir
un NPDU a un dispositivo apropiado, que es el destino final de la
comunicación o el siguiente paso hacia el destino final en la cadena de
comunicación.

Descubrimiento vecino (NLME): La capacidad de descubrir, registrar, y
relatar información que pertenece a los vecinos (one-hop) de un
dispositivo.

Descubrimiento de enrutamiento (NLME): Enmarca el enrutamiento a sus
destinos intencionados.
23
Ref [9] y http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee_%28especificaci%C3%B3n%29
56
La especificación completa de este estándar se obtiene añadiendo cuatro
componentes principales: los niveles de red y aplicación, los objetos de dispositivo
ZigBee (ZigBee Device Objects, ZDO) y objetos de aplicación definidos por el
fabricante, que permiten la personalización y adaptación, y favorecen la
integración total.
Además de añadir dos capas de alto nivel a la pila de protocolos ya existente, el
principal cambio es la adición de ZDOs, que son responsables de llevar a cabo
una serie de cometidos, entre los que se encuentran el mantenimiento de los roles
de los dispositivos, la gestión de peticiones de unión a una red, el descubrimiento
de otros dispositivos y la seguridad.
Figura 1.34. ZigBee y 802.15.424.
24
Ref [9]
57
CAPÍTULO 2
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE
LAS ETAPAS DEL SISTEMA
2.1 ARQUITECTURA DEL SISTEMA
Un equipo de corrientes inducidas que permita la visualización de un plano de
impedancias requiere adquirir los valores de impedancia y ángulo de fase
presentes en la sonda a diferentes frecuencias seleccionables.
El diseño del equipo se divide en dos partes principales: hardware y software. Las
etapas del hardware se muestran en la Figura 2.1, desde la sonda hasta los
visualizadores que comprende una computadora remota y una pantalla TFT local.
Generador
de Señales
Sonda
(Bobina)
HMI
(PC)
Acondiciona
miento
Sistema
Microcontro
lado
Pantalla
TFT
Figura 2.1. Etapas del hardware del equipo de corrientes inducidas.
La etapa de generador de señales se encarga de proveer una onda senoidal
variable de 50kHz hasta 500kHz necesaria para energizar la sonda. La etapa del
generador de señales consta de un circuito controlado por el sistema
microcontrolado.
58
La sonda está conformada por un alambre fino bobinado de tal forma que sensa
las variaciones del campo magnético lo que permite determinar el cambio de
impedancia y ángulo de fase al ser excitado por un voltaje alterno.
La etapa de acondicionamiento es la más delicada de las etapas debido a que
como su nombre lo indica se encarga de acondicionar las variables del sensor
para determinar la impedancia y el ángulo de fase necesario. Esta etapa busca
acondicionar la señal de tal forma que pueda ingresar al conversor análogo digital
del microcontrolador sin causar ningún daño.
El sistema microcontrolado es el encargado de recibir las señales acondicionadas
del sensor para procesarlas y obtener el valor de impedancia y ángulo de fase.
Además se encarga de controlar la etapa de generación de señales, de la
comunicación con los módulos ZigBee para enviar los datos a una computadora
remota para mostrar los mismos de forma adecuada y también se encarga de
controlar la pantalla táctil.
En el computador remoto se usa LabVIEW para ejecutar una HMI amigable al
usuario que permite ver y analizar los datos obtenidos por el equipo de corrientes
inducidas. La comunicación con una computadora nos ayudará a guardar los
datos y los gráficos obtenidos por el aparato de medida para imprimirlos y
registrarlos en una base de datos.
El equipo diseñado es portátil y autónomo, los datos que obtiene se muestran en
la pantalla y algunas variables como la frecuencia pueden ser seleccionadas
desde la pantalla táctil por medio de un menú.
2.2 GENERADOR DE SEÑALES
El generador de señales utilizado es un dispositivo DDS de baja potencia hasta
75MHz, capaz de generar una onda senoidal y triangular de alto rendimiento. Se
puede sintonizar a 75MHz con una resolución de 0.28Hz y a 1MHz con una
resolución de 0.004Hz. El consumo de 20mW de potencia con 3V y la capacidad
59
de modulación de fase (PSELECT) y frecuencia (FSELECT) hacen que sea una
opción muy recomendada.
La fuente de alimentación puede ser de 3V a 5V, con independencia de la parte
digital y analógica. Para reducir el consumo de corriente posee un SLEEP externo
para controlar el encendido del dispositivo. Los registros de frecuencia tienen 28
bits, los cuales pueden ser modificados por una interfaz serial de 3 cables, con
una
velocidad
máxima
de
reloj
de
40MHz,
compatible
con
cualquier
microcontrolador o dispositivo DSP.
2.2.1 DESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN DE LOS PINES DEL AD9834
El AD9834 es un dispositivo de 20 pines como se muestra en la Figura 2.2, cuyas
funciones se pueden dividir en 3 etapas: fuente de alimentación, señales
analógicas, e interfaz digital, como se detalla en la Tabla 2.1 de descripción de los
pines.
Figura 2.2. Distribución de pines.
60
Tabla 2.1. Descripción de las funciones de los pines25.
No. Pin
Mnemónico
Descripción
Señal analógica y referencia.
1
FS_ADJUST
Control de ajuste de fondo de escala. Una resistencia es
conectada entre este pin y GND para determinar el fondo de
escala (full-scale) de la corriente de la DAC, cuya relación es:
IOUTFULL SCALE = 18 × FSADJUST/R SET
FSADJUST = 1.15 V nominal, R SET = 6.8 k tipico.
2
REFOUT
Salida del voltaje de referencia. El voltaje de referencia del
AD9834 es de 1.2V que y está disponible en este pin.
3
COMP
DAC Bias Pin. Este pin es usado para desacoplar la tensión
de alimentación de la DAC.
17
VIN
Entrada al Comparador. El comparador puede ser usado
para generar una onda cuadrada a la salida del DAC
senoidal.
La
salida
de
la
DAC
debe
ser
filtrada
apropiadamente antes de ser aplicada al comparador para
mejorar las fluctuaciones de fase. Cuando el bit OPBITEN y
el bit SIGN/PIB en el registro de control se establece a 1. La
entrada del comparador está conectada al VIN.
19,20
IOU, IOUTB
Corriente de salida. Esta es una fuente de corriente de alta
impedancia. Una resistencia de carga de 200 Ω nominal debe
estar conectada entre IOUT y AGND. IOUTB preferiblemente
debe estar vinculado a través de una resistencia de carga
externa de 200 Ω a AGND, pero puede estar vinculada
directamente
a
AGND.
También
se
recomienda
un
condensador de 20 pF a AGND para evitar realimentación
reloj.
Fuente de alimentación
4
AVDD
Positivo de la fuente de alimentación para la sección
analógica. AVDD puede tener un valor de 2,3 V a 5,5 V. Un
condensador de desacoplamiento de 0,1µF debe ser
conectado entre AVDD y AGND.
25
8.
Hoja de datos ANALOG DEVICES 20 mW Power, 2.3 V to 5.5 V, 75 MHz Complete DDS AD9834, pag.
61
5
DVDD
Positivo de la Fuente de alimentación para la sección digital.
DVDD puede tener un valor de 2,3 V a 5,5 V. Un
condensador de desacoplamiento de 0,1µF debe ser
conectado entre DVDD y DGND.
6
CAP/2.5V
La circuitería digital opera desde con fuente de alimentación
de 2,5 V. Este 2,5 V se genera a partir de DVDD utilizando
un regulador incluido (cuando DVDD supera 2,7 V). El
regulador requiere un condensador de desacoplamiento
típico de 100 nF conectado desde CAP/2.5 V a DGND. Si
DVDD es igual o inferior a 2,7 V, CAP/2.5 V debe ser
cortocircuitado a DVDD.
7
DGND
Tierra digital
18
AGND
Tierra analógica
Interfaz digital y control
8
MLCK
Entrada Digital del Reloj. Las frecuencias de salida del DDS
se expresan como una fracción binaria de la frecuencia de
MCLK. La precisión de la frecuencia de salida y el ruido de
fase son determinadas por este reloj.
9
FSELECT
Entrada de la Selección de Frecuencia. FSELECT controla el
registro de frecuencia, FREQ0 o FREQ1, se utiliza en el
acumulador de fase. El registro de frecuencia puede ser
seleccionado mediante el pin FSELET o el bit FSEL. Cuando
se utiliza el bit FSEL para seleccionar el registro de
frecuencias, el pin FSELECT debe estar vinculada al CMOS
de alta o baja.
10
PSELECT
Entrada de la Selección de Fase. PSELECT controla el
registro de fase, PHASE0 o PHASE1, se añade al
acumulador de fase. El registro de fase puede ser
seleccionado mediante el pin PSELET o el bit PSEL. Cuando
los registros de fase están siendo controlados por el bit
PSEL, el pin PSELECT debe estar vinculado al CMOS de
alta o baja.
11
RESET
Entrada digital activa en alto. RESET Restablece los
registros internos apropiados a cero, esto corresponde a una
62
salida analógica de media escala. RESET no afecta a
ninguno de los registros direccionables.
12
SLEEP
Entrada digital activa en alto. Cuando este pin esta en alto, el
DAC está apagado. Este pin tiene la misma función que el bit
de control SLEEP12.
13
SDATA
Entrada serial de datos. Los 16 bits de datos seriales son
aplicados a esta entrada.
14
SCLK
Entrada de reloj serial. Los datos son registrados en el
AD9834 en cada caída de borde del SCLK.
15
FSYNC
Entrada de control activa en baja. Esta es la señal de
sincronización de trama para los datos de entrada. Cuando
FSYNC esta baja, la lógica interna informa que una nueva
palabra se está cargando en el dispositivo.
16
SIGN
OUT
BIT Salida lógica. La salida del comparador está disponible en
este pin o, alternativamente, el MSB de la NCO puede salir
por este pin. El bit de ajuste OPBITEN en el registro de
control activa este pin de salida en 1. El bit SIGN/PIB
determina si la salida del comparador o el MSB de la NCO
sale por el pin.
2.2.2 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN
El AD9834 presenta diversas formas de salida, que pueden adaptarse a un
sinnúmero de aplicaciones, una de las cuales es la modulación. Modificar los
valores de frecuencia y fase, dan la posibilidad de ser más versátil y utilizarlos en
PSK, GMSK, QPSK entre otros.
La interfaz que permite variar los registros y con ellos variar los parámetros del
dispositivo, es
una comunicación serial de 3 cables, la cual permite la
comunicación con muchos dispositivos electrónicos como los microcontroladores
o los DSP.
Este dispositivo trabaja como esclavo, con una frecuencia máxima de 40MHz de
la entrada de reloj serial (SCLK). Los datos con 16 bits ingresan por SDATA,
63
estos datos son válidos únicamente si está en bajo el selector de dispositivos
(FSYNC).
Figura 2.3. Diagrama de flujo de inicialización de la interfaz26.
En la Figura 2.3 se muestra un diagrama de flujo que indica la inicialización del
dispositivo para establecer los parámetros para ser usado.
2.2.3 ACONDICIONAMIENTO DEL GENERADOR DE SEÑALES
En las hojas de datos del AD9834, se indica la conexión típica recomendada por
el fabricante, la cual se muestra en la Figura 2.4. La salida de este dispositivo es
de corriente, por esta razón el fabricante recomienda usar una resistencia de 200
Ω, para cumplir con la corriente máxima de 3 mA y el voltaje máximo de salida de
0.6 V.
26
Hoja de datos ANALOG DEVICES 20 mW Power, 2.3 V to 5.5 V, 75 MHz Complete DDS AD9834
3.3v
64
0.1uF
6
5
4
0.1uF
CAP
GO14
GO13
GO15
GO11
3.3v
GO12
GO9
GO10
CRISTAL 50MHZ
2
1
2
1
14
13
15
11
12
9
10
8
SCLK
SDATA
FSYNC
RESET
SLEEP
FSELECT
PSELECT
MCLK
DGND
1nF
7
COM
REFOUT
FS Adjust
IOUTB
IOUT
VIN
SIGN BIT OUT
6.8k
0.1uF
0.01uF
DVDD AVDD
3
2
1
Sig. 1
Sig. 2
20
19
17
16
200
0.1uF
200
0.1uF
AGND
18
AD9834
GO
Figura 2.4. Diagrama de conexión del generador de señales.
La señal generada por el AD9834 tiene un pico máximo de 0,6 V y se encuentra
completamente en el cuadrante positivo del voltaje, por lo cual la señal debe ser
amplificada, pasar por un filtro pasa alto y aislar del circuito siguiente. Para esto
se usa la configuración de un amplificador no inversor con
el amplificador
operacional TLE2074 y una resistencia de precisión para calibrar el valor
deseado, se desea tener un voltaje pico de 3 V, por lo tanto utilizamos las
ecuaciones (2.1) y (2.2), para determinar la ganancia:
(2.1)
(2.2)
(2.3)
Por la ecuación (2.3) se tiene que la resistencia R1 debe tener un valor de 10 KΩ
y el potenciómetro de precisión debe ser de 100 KΩ (calibrado a 60 KHz).
65
V12
U1:A
1
2
U1:B
4
4
IN_SIG
C1
3
1
5
2
7
2.2nF
6
R2
TLE2074
150k
11
11
TBLOCK-I2
TLE2074
3
V-12
2
1
RV1
R1
100K
U1:C
4
4
U1:D
1
10k
10
8
12
9
14
TLE2074
2
1k
11
11
13
R4
SONDA
TLE2074
1
2
3
TBLOCK-I2
2
1
3
RV2
R3
3.3k
100K
R5
1
Figura 2.5. Diagrama de acondicionamiento de la señal del generador de ondas.
Amplificada la señal pasa por un filtro pasa altos pasivo, porque solo queremos
eliminar la componente continua de la señal. Para diseñar este filtro se utiliza la
ecuación (2.2) para una frecuencia de corte de 500 Hz (puede ser inferior o un
poco mayor).
(2.4)
66
(2.5)
Despejada la resistencia, ecuación (2.5), se elige un capacitor bajo de 2.2 nF para
no tener problemas con altas frecuencias, por lo tanto se tendrá una resistencia
aproximadamente de 150 KΩ. Para evitar fallas con el acoplamiento entre
circuitos al final del circuito se agrega un amplificador operacional como seguidor.
Para finalizar el acondicionamiento se añade una etapa amplificadora para
establecer el voltaje a 6 V, voltaje suficiente para excitar a la sonda. La entrada a
esta etapa se considera que tiene un voltaje pico de 3 V, ya que la atenuación del
filtro no es considerable, usamos nuevamente las ecuaciones (2.1) y (2.2).
(2.6)
Se deduce de la ecuación (2.6), que la resistencia y el potenciómetro de precisión
deben tener el mismo valor, el valor más conveniente es de 10 KΩ.
La Figura 2.5 muestra el diagrama de conexión del acondicionamiento de la señal
del generador, la cual está lista para excitar a la sonda después de pasar por un
amplificador en modo seguidor para el acople de impedancias.
2.3 ACONDICIONAMIENTO DE LAS VARIABLES DE LA SONDA.
La etapa de acondicionamiento está conformada por varias subetapas para tener
valores adecuados que ingresen al conversor análogo digital del sistema
microcontrolado. Para determinar el valor de impedancia y ángulo de fase
necesarios para graficar el plano de impedancias, se debe adquirir los datos de
voltaje y corriente de la sonda, primeramente con las señales de voltaje y
67
corriente se determina el desfase que existe entre dichas señales; posteriormente
se usaran las mismas señales obtenidas de la sonda para determinar su magnitud
que nos permitirá determinar su valor de impedancia.
Impedancia
Sonda
Valor
Absoluto
Retenedor
de picos
Multiplicado
r de señales
Acondiciona
miento
Acondiciona
miento
Adquisición
de señales
Ángulo
Sistema
Microcontrolado
Figura 2.6. Arquitectura de la etapa de acondicionamiento.
En la Figura 2.6 se puede ver con claridad el proceso por el cual deben pasar las
señales.
2.3.1 ADQUISICIÓN DE LAS VARIABLES DE LA SONDA.
La sonda esta excitada por una señal senoidal de frecuencia variable de 50 KHz a
500 KHz, la cual se configura para la adquisición de su señal de voltaje y
corriente. En la Figura 2.7 se muestra la conexión de la sonda que se encuentra
conectada en serie con una resistencia la cual toma el nombre de resistencia
Shunt (Rshunt), debido a que se usará para conocer el valor del voltaje y
determinar el valor de corriente de la misma.
Para determinar el valor de Rshunt se utiliza el voltaje pico del generador de
señales VGp = 6 V, que alimenta a la sonda que tiene una resistencia interna de
4.3 Ω (Rb). En la Tabla 2.2 se muestra una comparación entre dos valores de
resistencia shunt y los valores de voltaje que se obtendrá en Rshunt.
68
1
Rshunt
2
Is
Generador
señales
Terminales
1-2 Corriente
2-3 Voltaje
Sonda
3
Figura 2.7. Conexión de la sonda y terminales para medición.
Tabla 2.2. Comparación entre dos valores de resistencia shunt.
Según la ley de ohm,
Según la ley de ohm,
ecuación (1.1):
ecuación (1.1):
(
)
Reemplazando:
)
Reemplazando:
(
(
(
)
)
(
(
)
)
Aplicando la ley de ohm,
Aplicando la ley de ohm,
ecuación (1.1), a Rshunt:
ecuación (1.1), a Rshunt:
Reemplazando:
Reemplazando:
De la tabla anterior se concluye que el mejor valor de resistencia seria Rshunt =
1000 Ω, debido a que permite evitar una corriente excesiva en la sonda y el valor
de voltaje shunt que se obtiene es mayor al voltaje con la Rshunt=1 Ω.
69
La adquisición se la realiza utilizando amplificadores operacionales de alta
frecuencia (TLE2074), para obtener mayor precisión; primero se usan en la
configuración de seguidor para aislar la sonda de la segunda etapa que son
amplificadores en modo diferencial, en la Figura 2.5 se muestran los puntos de
conexión (1, 2 y 3) para obtener las señales de la sonda y en la Figura 2.8 se
muestra el circuito de adquisición de las señales de voltaje y corriente.
Los TLE2074 son alimentados con una fuente de +12 V / -12 V ya que se
adquieren y amplifican voltajes alternos.
V12
U2:B
4
Corriente
5
7
6
R6
U2:C
U3:B
4
1
4
15k
10
8
R8
5
9
7
6
11
15k
V-12
R7
15k
4
TLE2074
R9
4
U2:A
TLE2074
11
11
TLE2074
2
15k
3
1
11
2
TLE2074
Voltaje
V12
R10
U3:A
U3:D
4
4
33k
4
U2:D
3
14
13
1
R12
12
2
14
13
11
33k
TLE2074
R11
TLE2074
11
12
11
3
TLE2074
18k
V-12
R13
18k
Figura 2.8. Conexión amplificador de instrumentación AD620
para determinar la corriente.
5
70
El voltaje máximo deseado en el terminal 4 es 6 V para evitar que se sature el
amplificador, por lo cual nos referimos a la Tabla 2.2 que muestra un Vshunt =
5,97 V, que implica tener una ganancia unitaria.
En cambio para adquirir la señal de voltaje de la sonda se toman los terminales 2
y 3 que se muestran en la Figura 2.5 y Figura 2.8, los mismos que se conectan a
través de amplificadores en modo seguidor para aislamiento a un amplificador
operacional configurado como diferencial que amplifica la señal, y la salida se
tiene por el terminal 5 como se muestra en la Figura 2.8.
Mediante pruebas preliminares realizadas se obtuvo un voltaje pico en el terminal
5 de 11 V a una frecuencia de 500 KHz, por esta razón se calcula la ganancia del
amplificador diferencial como un reductor y así tener un valor máximo de 6 V.
El valor de R10 y R12 son los mismos, al igual que R11 y R13. Se realizan los
cálculos con las ecuaciones (2.1) y se iguala a la ecuación (2.7).
(2.7)
(2.8)
Para la resistencia de la ecuación (2.8) se elige un valor de R10=33 KΩ, y se
determina un valor de R11=18 KΩ. En la Figura 2.8 se muestra la conexión y
valores de los circuitos de adquisición de las señales de voltaje y corriente.
A continuación las señales de voltaje obtenidas tomaran dos caminos diferentes,
con el objetivo de acondicionarlas de forma analógica y tener un voltaje que
represente su valor con una variación de 0 a 3.3 V, lo que permite conectar las
señales al microcontrolador.
Se divide en dos caminos porque hay dos variables que se desea determinar en
base a la corriente y voltaje de la sonda que son: impedancia y ángulo de fase;
71
para la primera variable necesito el valor pico de la corriente y voltaje para
encontrar su valor.
2.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE VARIABLES PARA DETERMINAR LA
IMPEDANCIA
Para acondicionar las dos señales deben pasar por un circuito rectificador de
onda completa de precisión, lo cual permitirá eliminar los valores negativos de las
señales, posteriormente pasará por un circuito llamado retenedor de picos que
permitirá tener un valor de voltaje que represente el voltaje pico de la señal de
entrada de forma actual.
2.3.2.1 Circuito rectificador de precisión de onda completa
En la Figura 2.9 la señal de entrada se conecta a las entradas del amplificador
operacional no inversor para obtener así una impedancia de entrada alta. En la
Figura 2.9 a) se muestra lo que sucede cuando las entradas son positivas. E i y Ri
definen la corriente que pasa por el diodo Dp.
Las entradas (-) de ambos amplificadores operacionales tienen un potencial igual
a Ei por lo que no pasa ninguna corriente por R2, R3 y R4. Por lo tanto para todo
voltaje de entrada positivo, Vo = Ei.
72
a) Niveles de voltaje para entradas positivas: Vo = +Ei para todos los valores
positivos de Ei.
b)
Niveles de voltaje para entradas negativas: Vo = -(-Ei) = | Ei |.
Figura 2.9. Rectificador de onda completa de precisión con alta impedancia de entrada.27
27
Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll,
pag. 192-195.
73
En la Figura 2.9 b), cuando Ei se vuelve negativo, Ei y R1 definen la corriente que
pasa por R1 y por R2 a fin de activar el diodo DN. Dado que R1 = R2, el ánodo de
DN asume el valor 2Ei ó 2(-Ei) = -4 V. La entrada (-) del amplificador operacional B
tiene el valor –Ei. La caída de voltaje por R3 es 2Ei – Eio (-4 V). La entrada (-) del
amplificador operacional B tiene el valor –Ei. La caída de voltaje por R3 es 2Ei –
Eio (-4 V) – (-2) = -2 V. Esta caída de voltaje y R3 determinan la corriente I3 que
pasa a través de R3 así como por R4, la cual es igual a la corriente de entrada I.
Por lo tanto, Vo es positivo cuando Ei es negativo. De esta forma, Vo siempre es
positivo, independientemente de la polaridad de Ei, por lo que Vo = |Ei |.
Las formas de onda de este circuito se muestran en la Figura 2.10. El valor
máximo de Ei está limitado por el voltaje de saturación negativo de los
amplificadores operacionales.
Figura 2.10. Formas de onda del Circuito de valor absoluto o rectificador de onda
completa de precisión, Vo = │Ei│.
Este circuito es implementado para rectificar las señales de voltaje y corriente de
la sonda con una pequeña variación para tener una respuesta más rápida y que
su respuesta sea más estable, como se muestra en la Figura 2.11.
Las variaciones del circuito son simples primero las entradas no inversoras se
conectan directo a GND y el voltaje que ingresaba por ellas se conecta a la
74
entrada inversora por medio de una resistencia; para el amplificador A se usa una
resistencia R y para el amplificador B se usa una resistencia 2R. El
funcionamiento es exactamente el mismo y para implementarlo solo se elige un
valor adecuado de R lo suficientemente alto como para disminuir la corrientes de
fuga, para este equipo se ha elegido un valor de R = 100 kΩ, por lo tanto los
demás valores quedan definidos como se muestra en la Figura 2.11.
Ahora que la señal obtenida es netamente positiva, se puede eliminar todos los
valores que no aportan ninguna ayuda para determinar la impedancia, por lo cual
el paso a seguir es que la señal pase por un circuito retenedor de picos.
R15
R16
R17
100k
100k
200k
D1
1N4148
V-12
V-12
D2
100k
R18
2
1
200k
3
U5:B
6
7
6
5
R19
4
R14
4
11
11
U5:A
4
Corriente
1N4148
TLE2074
TLE2074
V12
100k
V12
R21
R22
R23
100k
100k
200k
D3
1N4148
V-12
V-12
D4
R24
13
14
12
200k
U5:C
9
8
TLE2074
V12
7
10
R25
4
100k
11
11
R20
5
U5:D
4
Voltaje
1N4148
TLE2074
100k
V12
Figura 2.11. Conexión de terminales 4 y 5 al circuito rectificador de precisión de onda
completa.
75
2.3.2.2 Seguidor y retenedor de picos positivos
En la Figura 2.12 se muestra el circuito de un seguidor y retenedor de pico. El
amplificador operacional A es un rectificador de media onda de precisión, que
carga a C sólo cuando el voltaje de entrada, Ei, excede al voltaje del capacitor, Vc.
La alta impedancia de entrada del seguidor no permite que el capacitor se
descargue de manera apreciable.
Para analizar el funcionamiento del circuito empezaremos con la Figura 2.12 a).
Cuando Ei, excede a Vc, se polariza directamente el diodo Dp para cargar al
capacitor de retención C. Mientras Ei sea mayor que Vc, el valor de la carga de C
se aproxima a Ei. Por lo tanto, Vc sigue a Ei, en tanto Ei sea mayor que Vc.
Cuando Ei desciende por debajo de Vc, el diodo DN se comporta como se muestra
en la Figura 2.12 b).
Se desactiva el diodo Dp y desconecta a C de la salida del amplificador
operacional A. El diodo Dp debe ser del tipo de fuga baja, pues de lo contrario el
voltaje del capacitor se descargará (caída). Para reducir al mínimo la caída, es
necesario que el amplificador operacional B requiera corrientes de polarización
pequeñas.
En la Figura 2.13 se muestra un ejemplo de las formas de onda de voltaje de un
seguidor y retenedor de pico positivo. Para reiniciar el voltaje del capacitor de
retención a cero hay que conectar una trayectoria de descarga con una
resistencia de 220 Ω, a través del integrado CD4066, controlado por el
microcontrolador. La conexión del CD4066 con el microcontrolador se debe
realizar por medio de un arreglo de transistores (configurados como interruptores),
teniendo en cuenta que el microcontrolador funciona a 3.3 V y CD4066 funciona a
12 V.
76
En la Figura 2.14 se muestra el circuito final, y sus conexiones de entrada (6 y 7)
y salida (8 y 9), este circuito se alimenta con una fuente de +12 V y -12 V para
evitar problemas de saturación de los amplificadores operacionales TLE2074.
a) Cuando Ei excede a VC, C se carga hacia el valor de Ei a través de Dp.
b)
Cuando Ei es menor que VC, C mantiene el voltaje al valor previo de Ei más alto.
Figura 2.12. Circuito seguidor de pico positivo y retenedor de pico28.
28
Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll,
pag. 195-196.
77
Figura 2.13. Formas de las ondas correspondientes al detector positivo
de la figura 2.12 a)29.
29
Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll,
pag. 197
78
R26
100k
D5
V-12
1N4148
X1
6
D6
2
U6:B
7
1
8
5
3
6
1N4148
4
Corriente
11
U6:A
11
V-12
4
C2
TLE2074
0.1uF
TLE2074
V12
V12
R27
10k
D7
V-12
1N4148
X2
11
U6:D
U6:C
9
D8
13
8
14
9
10
12
7
1N4148
4
Voltaje
11
V-12
4
C3
TLE2074
0.1uF
TLE2074
V12
V12
V12
U7:B
11
X1
4066
VDD=V12
VSS=GND
X
Q2
R44
10
Y
C
10k
R33
2N3904
X3
12
220
R30
U7:C
4
10k
V12
Y
3
R43
Q1
C
10
5
X2
4066
VDD=V12
VSS=GND
X
R32
2N3904
X4
220
R31
10k
Figura 2.14. Conexión del circuito retenedor de picos.
79
2.3.2.3 Acondicionamiento de señales para conexión con el sistema microcontrolado
Pruebas realizadas con la sonda revelan que las variaciones producidas por las
corrientes de eddy son pequeñas, por lo cual las señales de voltaje y corriente de
la sonda, deben ser amplificados para detectar mejor estas señales.
La Figura 2.15 muestra el primer circuito de amplificacion que se utiliza para la
señal de la corriente de la sonda, se utiliza un amplificador de instrumentacion
(AD620), que proporcione una amplificación alta y una impedancia de aislamiento
3
elevada.
2
V12
Corriente
1
RV5
100K
7
1
U8
3
8
6
2
10
Q3
4
8
5
V12
2N3904
AD620
Vref1
V12
R34
100
R36
V-12
910
2
1
7
U9
3
RV6
6
2
10K
5
4
3
D12
1
LM741
1N4728A
R35
100
Figura 2.15. Primera etapa de acondicionamiento de la señal de corriente de la sonda.
El potenciometro de precisión RV5 se utiliza para establecer un voltaje y usarlo en
el AD620 que esta utilizado como un amplificador diferencial. El amplificador
80
operacional U9 (LM741) y el transistor Q3 (2N3904) se utilizan como regulador de
voltaje de alta precisión para mantener estable el voltaje de referencia 1 (Vref1).
El voltaje del terminal 10 se lo calibra con RV5 a 6V para restarle el pico máximo
de variación de voltaje de la sonda, que según pruebas en el amplio rango de
frecuencias es de 0.8 V. Según el voltaje maximo pico y el voltaje de referencia 1
(Vref1) el voltaje de entrada Vi1 se calcula con la ecuaciòn (2.9):
(2.9)
El voltaje de salida debe tener un valor maximo de 4 V y calculamos una ganancia
(G1) de la ecuaciòn (2.1):
Para calcular la resistencia RV5 para tener la ganancia G1, se usa la ecuación
(2.10), que resulta despejando Rv de la ecuación (2.2), así:
(2.10)
81
Corriente
3
2
V12
1
RV3
V5
100K
V5
U4
U11:B
4
7
1
U11:A
4
6
3
2
R28
1
2
5
7
10k
4
8
5
6
AD0
C4
11
AD620
100nF
LM324
11
10
3
LM324
V-12
V12
Q4
2N3904
Vref2
V12
R37
100
R39
910
2
1
7
U13
3
RV4
6
2
10K
5
4
3
D10
1
LM741
1N4728A
R38
100
Figura 2.16. Segunda etapa de acondicionamiento de la señal de corriente de la sonda.
La Figura 2.16 es la última etapa del acondicionamiento de la señal de corriente,
se usa al amplificador de instrumentacion U4, como un amplificador diferencial,
cuyas entradas son la señal de corriente amplificada anteriormente, y un voltaje
fijado con la resistencia de precision RV4 y un amplificador operacional
configurado como seguidor; la ganancia del amplificador U4 es de 1, solo se
busca reducir el voltaje a un valor variable de máximo 3.3 V seguro para un
microncontrolador, por lo cual se usa una resistencia de precisión de 100 kΩ y se
calibra a su máximo.
El amplificador operacional U11:A esta configurado como seguidor y es el único
que esta alimentado con una fuente de 0 a 3.3 V, como una seguridad extra.
82
La corriente se amplificó a un maximo de 6 V y solo se desea tener un máximo de
3.3 V a la salida de esta etapa, por lo cual se establece un voltaje de 2.7 V con
RV4 y se tiene a la salida AD0.
(
)
Se añade un filtro pasa bajo a 150 Hz para evitar que cualquier señal inecesaria
ingrese al sistema microcontrolado. Y se finaliza con otro seguidor para
aislamiento.
La señal de voltaje de la sonda ya se ha establecido en varias pruebas realizadas,
con varios tipos de metales tiene una variación máxima de 3.3 V con los valores
previamente establecidos. La variación de esta señal es suficiente para ser
detectada por el sistema microcontrolado por lo que no es necesario ser
3
amplificada.
2
V12
Voltaje
1
RV7
V5
100K
V5
U14
U11:C
4
7
1
U11:D
4
6
12
2
14
13
10
8
10k
11
4
8
5
AD620
R29
9
AD1
C5
LM324
100nF
11
9
3
LM324
V-12
Figura 2.17. Etapa de acondicionamiento de la señal de voltaje de la sonda.
La etapa de acondicionamiento de la señal de voltaje de la sonda mostrada en la
Figura 2.17, comprende un amplificador de instrumentación que tiene una
amplificación igual a 1, con una resistencia de precision de 100 kΩ.
83
El amplificador U11:D tiene una alimentacion de 3.3 V para asegurar que el
voltaje que ingresa al sistema microcontrolado no sobrepase valores máximos.
2.3.3 ACONDICIONAMIENTO DE VARIABLES PARA DETERMINAR EL
ÁNGULO DE FASE
Las señales obtenidas en el terminal 4 y 5, son salidas de las señales de corriente
y voltaje respectivamente; estas pasan por un amplificador operacional, la señal
de corriente es amplificada a un voltaje máximo de 7 V regulado con el
potenciómetro de precisión de la Figura 2.18 y la señal de voltaje pasa solamente
por un seguidor para aislarla. Estas señales están desfasadas una cierta
magnitud por la variación de la profundidad que sensa la sonda (bobina). El
desfase (θ) en las señales de voltaje y corriente matemáticamente se expresan
con las ecuaciones (2.11) y (2.12):
(
)
(
(2.11)
)
(2.12)
Multiplicando estas funciones entre ellas, se tiene como respuesta una
componente constante que es proporcional al ángulo de desfase y una función
coseno con una frecuencia que es el doble de la original, ecuación (2.13):
(
(
[
(
(
) {
(
(
)
)
(
)
(
) [
(
(2.13)
)] [
)[
[(
)
( )
(
)]
)]
[(
( )
(
)]
(
)
)
(
)]}
)]
(
)
(2.14)
84
La parte continua de la ecuación (2.14), que es el resultado de la multiplicación,
es:
(
)
( )
(2.15)
La ecuación (2.15) muestra que la componente continua de la multiplicación de
dos funciones de frecuencia diferente nos da como resultado una constante
proporcional al coseno del ángulo de fase.
La Figura 2.18 a) muestra a un multiplicador cuyas entradas son las señales de la
sonda, a la salida se implementará un medidor de voltaje continuo que
determinará el valor proporcional del ángulo de fase; el multiplicador que se usa
para este equipo es el AD633.
En la Figura 2.18 b) muestra la conexión con el multiplicador y la adquisición de la
señal resultante, a través del amplificador operacional TLE2074, buscando
aprovechar la alta impedancia de entrada y su funcionamiento con altas
frecuencias, se lo usa como amplificador no inversor de una ganancia de 3.3
porque el voltaje máximo que se obtiene del multiplicador es 1.8 V y se desea
tener un voltaje de 6 V
La señal obtenida tiene una componente alterna y una continua, por lo cual, se
necesita eliminar la componente alterna para poder medir el ángulo de fase y para
esto se usa un filtro pasa bajos.
Los filtros activos son una buena opción para evitar la atenuación de la señal con
el uso de elementos pasivos.
85
a) Medidor de ángulo de fase
V12
4
U1:A
U7
1
1
2
3
4
2
TLE2074
10
8
9
3
5
5
11
TLE2074
4
3
R3
V12
U1:B
1
RV2
U1:C
AD633JR
V-12
2
8
7
6
5
11
11
V-12
Y1 X2
Y2 X1
VS-VS+
Z
W
4
3
4
7
6
100K
2
1
RV3
11
5.6k
TLE2074
R12
10K
1k
b) Conexión y adquisición del multiplicador.
Figura 2.18. Multiplicador empleado para medir la diferencia de ángulo de fase entre dos
frecuencias iguales.
2.3.3.1 Filtro Butterworth pasa bajos
El filtro butterworth pasa bajos es el filtro más utilizado y el más conveniente para
eliminar la componente alterna y no atenuar la componente continua. La
frecuencia de corte a la cual el filtro debe ser diseñado es de 5kHz. La Figura 2.19
b) muestra una atenuación desde la frecuencia de corte, pero desde 10 veces la
frecuencia de corte su valor es insignificante, por esto se ha elegido 10 veces
menos la frecuencia de límite inferior del generador.
86
a) Filtro pasa bajos con la pendiente de -40dB/década.
b) Gráfica de respuesta en frecuencia para el filtro pasa bajos de la parte a).
Figura 2.19. Circuito y gráfica de respuesta en frecuencia para un filtro pasa bajos de -40
dB/décadas.
87
Para el diseño del filtro como se muestra en la Figura 2.19.a se calcula el valor de
dos elementos R y C, se selecciona el valor de C según convenga, así:
Y para calcular R se tiene la ecuación (2.16):
(2.16)
Reemplazando valores en la ecuación (2.16)
Con R y C calculados se da valores a los elementos de la Figura 2.10, con las
siguientes relaciones:
C1
2.2nF
V12
4
U1:D
R2
12k
12k
12
14
13
C2
11
R1
11
TLE2074
1nF
V-12
Figura 2.20. Filtro butterworth pasa bajos, diseñado.
12
88
2.3.3.2 Acondicionamiento de la señal multiplicada
En esta etapa se busca restar un valor determinado por un potenciómetro de
precisión y amplificar la diferencia, para tener una variación entre 0 y 3.3 V, de
acuerdo a los campos magnéticos. El voltaje máximo de la señal es de 5 V y el
voltaje que se resta es de 2 V para tener como resultado 3.3 V a la salida se usa
un AD620 con amplificación unitaria calibrada con un potenciómetro de precisión
de 100 KΩ.
RV4
100K
1
2
3
V12
7
1
U2
3
12
V12
Q3
6
2
Vref1
4
8
5
AD620
R34
100
R36
AD2
47
2N3904
V12
R4
D2
1N4728A
V-12
910
2
1
7
U6
3
RV6
6
2
10K
5
4
3
D12
1
LM741
1N4728A
R35
100
Figura 2.21. Circuito de acondicionamiento de la señal de ángulo de fase.
Después de ser amplificada la señal pasa por un diodo zener para evitar las
variaciones de voltaje y en algún momento la señal exceda los 3.3V, todo este
acondicionamiento se muestra en la Figura 2.21.
Con todas las señales variables entre 0 y 3.3V, están listas para ser procesadas
por un sistema microcontrolado y visualizadas en varias interfaces, tanto local
como remota.
89
2.4 SISTEMA MICROCONTROLADO
El sistema microcontrolado para este equipo de ensayos no destructivos, funciona
en base a un microcontrolador ATXMEGA128A3U. Este microcontrolador tiene un
sistema de reloj interno y un circuito de PLL. La pantalla utilizada para el equipo
es una TFT de 800x480, para su funcionamiento necesita un bus de 16 pines y el
dato de cada píxel contiene 16 bits (un píxel comprimido); por esta razón se
necesita una frecuencia de funcionamiento mayor a 20MHz.
La mayoría de conversores A/D tienen 10 bits de resolución, las variaciones de
las señales son pequeñas, por lo tanto mientras mayor sea la resolución, más
precisos serán los resultados.
La frecuencia máxima para la operación del microcontrolador es 32 MHz y un
conversor A/D con una resolución de 12 bits, estas son las principales
características que se utilizó para seleccionar el microcontrolador.
La
Tabla
2.3
muestra
todas
las
características
del
microcontrolador
ATXMEGA128A3U.
Los módulos usados para el control del equipo de ensayos no destructivos son los
siguientes:

Comunicación: se usa comunicación USART D0 para la interface con una
PC remota, comunicación SPI para controlar el generador de señales
(AD9834) y conversor para la pantalla táctil (XPT2046).

Conversor A/D: usa dos entradas del conversor para determinar la
impedancia y una entrada del conversor para determinar el ángulo.

Timer: se utiliza el TIMER1 para generar una interrupción de eventos para
adquirir los datos del ADC cada 5ms y para filtrar la información de la
pantalla táctil cada 500ms.
90
Tabla 2.3. Características del microcontrolador ATXMEGA128A3U30.
Parameter
Value
Parameter
Value
Flash (Kbytes):
128 Kbytes
ADC channels:
16
Pin Count:
64
ADC Resolution
12
(bits):
Max. Operating
32 MHz
ADC Speed (ksps):
2000
8-bit AVR
Analog
4
Frequency:
CPU:
Comparators:
# of Táctil Channels:
16
DAC Channels:
2
Max I/O Pins:
50
DAC Resolution
12
(bits):
Ext Interrupts:
50
Temp. Sensor:
Yes
USB Transceiver:
1
Crypto Engine:
AES/DES
USB Speed:
Full Speed
SRAM (Kbytes):
8
USB Interface:
Device
EEPROM (Bytes):
2048
SPI:
10
Self Program
YES
Memory:
TWI (I2C):
2
picoPower:
Yes
UART:
7
Timers:
7
Temp. Range (deg
-40 to 85
Output Compare
22
C):
I/O Supply Class:
channels:
1.6 to 3.6
Input Capture
22
Channels:
Operating Voltage
1.6 to 3.6
PWM Channels:
22
Yes
Calibrated RC
Yes
(Vcc):
32kHz RTC:
Oscillator:
Watchdog:
Yes
Quadrature Decoder
3
Channels:
La Figura 2.22 muestra una distribución de los módulos y la representación de
cada pin que presenta este microcontrolador.
30
http://www.atmel.com/devices/ATXMEGA128A3U.aspx
91
Figura 2.22. Diagrama de bloques y pines31.
2.4.1 DIAGRAMA DE PINES
A continuación se muestra en la Tabla 2.4 todos los pines utilizados y la
descripción de cada uno de ellos:
Tabla 2.4. Distribución de pines del microcontrolador con detalle de su utilización.
Puerto
Pin#
Función
Descripción
PA0
62
ADC (AD0)
Ingreso
del
voltaje
representando
la
corriente de la sonda.
PA1
63
ADC (AD1)
Ingreso del voltaje representando el voltaje
de la sonda.
PA2
64
ADC (AD2)
Ingreso del voltaje representando el ángulo
de fase.
31
Hoja de datos 8/16-bit Atmel XMEGA A3U Microcontroller ATxmega256A3U / ATxmega192A3U /
ATxmega128A3U / ATxmega64A3U, pag. 3.
92
PA3
PA4
PA5
PA6
PA7
PB0
1
2
3
4
5
6
OUTPUT
Control de la descarga del capacitor C2 del
(X1)
retenedor de picos de la señal se corriente.
OUTPUT
Control de la descarga del capacitor C3 del
(X2)
retenedor de picos de la señal se voltaje.
OUTPUT
Selector de chip para comunicación SPI con
(CS-G)
el generador de señales (AD9834)
OUTPUT
Selector de chip para comunicación SPI con
(CS-T)
el conversor de la pantalla táctil (XPT2046)
OUTPUT
Selector de chip para comunicación paralela
(CS-TFT)
con driver de la pantalla TFT (SSD1963)
INPUT
Referencia B del conversor A/D (3.3v)
(REFB)
PC0
PC1
PC2
16
17
18
OUTPUT
Control de comando o dato para la pantalla
(RS)
TFT
OUTPUT
Control habilita la escritora en la pantalla
(WR)
TFT
OUTPUT
Reset físico de la pantalla TFT
(REST)
PC3
PC4
19
20
OUTPUT
Control de intensidad del brillo del backligth
(LED-A)
de la pantalla TFT
OUTPUT
Transmisor de datos de la comunicación SPI
(DOUT)
PC5
21
INPUT
Receptor de datos de la comunicación SPI
(DIN)
PC6
22
OUTPUT
Reloj de la comunicación SPI
(CLK)
PD3
PD4
PORTE
28
29
36-43
INPUT
Receptor de datos de la comunicación
(RXD0)
USART
OUTPUT
Transmisor de datos de la comunicación
(TXD0)
USART
OUTPUT
Byte de datos menos significativo de la
(DB0-DB7)
pantalla TFT
93
PORTF
AVCC
46-51,
OUTPUT
Byte de datos más significativo de la
54,55
(DB8-DB15)
pantalla TFT
61
INPUT
Fuente de alimentación del conversor de;
A/D del microcontrolador
VCC
15, 25, INPUT
Fuente de alimentación del microcontrolador
35, 45,
(3.3v)
53
GND
14, 24, INPUT
Tierra
de
34, 44,
microcontrolador
la
alimentación
del
52, 60
RESET
57
INPUT
Reset físico del microcontrolador
Teniendo una distribución de los pines que se piensan utilizar para el control del
equipo, lo restante es el programa en sí implementado para su correcto
funcionamiento.
El lenguaje de programación elegido es C, aprovechando las facilidades y
características versátiles que presenta ATMEL Studio, para la programación de
microcontroladores de la serie ATXMEGA.
ATMEL Studio es un entorno de desarrollo integrado (IDE) para aplicaciones de
escritura y depuración AVR / ARM en ambientes como Windows XP / Windows
Vista / Windows 7. ATMEL Studio proporciona una herramienta de gestión de
proyectos, editor de archivo de origen, simulador, ensamblador y front-end para
C / C + +, la programación y la depuración on-chip32.
2.5 FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Se necesitan tres niveles de voltaje, dos niveles para el circuito de
acondicionamiento de las señales de voltaje, corriente y ángulo, es indispensable
que sea de 12 V y -12 V, para no perder información de la onda; para esto se
32
USER GUIDE Atmel Studio http://www.atmel.com/microsite/atmel_studio6/default.aspx
94
obtiene un voltaje de 120 Vac de la red eléctrica convencional, se conecta a un
transformador de 120:12 de 1 A, posteriormente se conecta a un rectificador que
convierta a un voltaje continuo, para eliminar el rizado se conecta a un capacitor
de 1000 uF y uno de 1 uF en paralelo.
En la Figura 2.24 se muestra la configuración del transformador con el puente
rectificador y cómo conectarse con los reguladores de voltaje para tener 12 V
(7812) y -12 V (7912); se usa unos capacitores para evitar el ruido y el voltaje ya
puede alimentar a los dispositivos necesarios.
La ultima fuente alimenta la pantalla TFT, el microcontrolador y al generador de
ondas por la carga que representan, después de ser reducido un voltaje de 120
Vac a 12 Vac, se rectifica y se disminuye el rizado con un par de capacitores; para
ser conectados a un conversor DC/DC reductor para disminuir el voltaje hasta 7 V
y conectar a la placa del microcontrolador. Para alimentar a la pantalla TFT se usa
otro conversor DC/DC reductor y tener un voltaje de 3,3 V.
AC
TR2
V3.3
1
2
BR2
CONVERSOR DC/DC
CONVERSOR DC/DC
TBLOCK-I2
12V - 7V
C7
TRAN-2P3S
TR1
C4
1uF
GBU6G
7V - 3.3V
C5
C12
100uF
1uF
1000uF
BR1
U1
V12
7812
VI
VO
3
GND
1
C15
1uF
C1
2
GBU6G
1000uF
C2
C13
100uF
1uF
TRAN-2P3S
U2
V-12
7912
VI
VO
3
1
GND
2
Figura 2.24. Fuente de alimentación.
C3
C14
100uF
1uF
95
CAPÍTULO 3
PROGRAMACIÓN Y ENLACE DE MÓDULOS
3.1 CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR
DEL MÓDULO DEL EQUIPO
3.1.1 PROGRAMA PRINCIPAL
Los microcontroladores ATXMEGA presentan una gama muy extensa de registros
por la cantidad de características que presentan, para facilitar la programación de
estos dispositivos, ATMEL Studio presenta una ayuda llamada asistente ASF, que
proporciona una vista organizada de los módulos disponibles, sus vínculos de
documentación e información de versión. Este asistente ASF permite agregar o
quitar módulos para el proyecto seleccionado. Para acceder a ASF Wizard,
seleccione Asistente ASF en el menú ASF, como se muestra en la Figura 3.1.
Figura 3.1. IDE de ATMEL Studio y el asistente ASF.
El asistente ASF presenta un entorno que permite el acceso a las librerías de
código fuente de Atmel Software Framework, que proporciona drivers, protocols,
96
stacks, codingutilities, buildsystem, etc. Las librerías muestran cómo utilizar cada
uno de estos módulos y añadirlos al programa.

Components: Proporciona los controladores de software para acceder a
los componentes de hardware externo, como la memoria (por ejemplo,
Atmel DATAFLASH™, SDRAM, SRAM, flash NAND), pantallas, sensores,
wireless, etc.

Drivers: Cada driver se compone de un archivo driver.c y driver.h que
proporciona funciones de bajo nivel para acceder a una función específica,
sea esta, periférico o dispositivo. Los servicios y componentes interactúan
con los controladores.

Services: Provee aplicaciones orientadas al software tal como una clase
USB, sistema de archivos FAT, librerías de arquitectura optimizada DSP,
librería gráfica, etc.
En la Figura 3.2 se muestra la ventana del asistente del ASF que permite
seleccionar los drivers, componentes y servicios, necesarios para el desarrollo del
programa, al lado izquierdo se muestran los módulos disponibles para el
controlador previamente determinado y al lado derecho se muestran los módulos
que ya han sido seleccionados para ser usados. Los módulos seleccionados de la
Figura 3.2 son la lista de elementos que se usan en el programa.
Figura 3.2. Asistente del Atmel Software Framework.
97
En el diagrama de flujo de la Figura 3.3 muestran los módulos inicializados en el
programa principal. El primer módulo que debe ser inicializado, sin importar el
programa, es el sistema de reloj, a una frecuencia de 32 MHz de un reloj interno.
Posteriormente se configuran los registros para la comunicación USART a una
velocidad de 9600 bps de comunicación asíncrona, un bit de parada, sin paridad y
ocho bits de datos.
INICIO
Inicialización de
reloj a 32MHz
Inicialización
comunicación
serial (9600 bps)
Inicialización
conversor A/D
Inicialización
pantalla TFT
Borrar
pantalla TFT
Inicialización de
comunicación SPI
Inicialización de
pantalla touch
Inicialización de
generador de
señales
Limpia y gráfica
ejes en la pantalla
1
Figura 3.3. Diagrama de flujo de la inicialización del programa.
Los módulos de los ATXMEGA mediante configuración pueden estar vinculados
mediante eventos o interrupciones de otros módulos del controlador, el módulo
ADC se lo configura de esta forma. El módulo ADC inicia la conversión cada cierto
98
tiempo establecido con un evento generado con un TIMER del controlador, la
frecuencia de este TIMER es menor al necesario para la conversión; el módulo
ADC se configura para iniciar la conversión cada 200kHz, un voltaje de referencia
externo de 3.3 V., una conversión triggerfreerun, conversión de 12 bits y se
habilitan los tres primeros canales del ADC.
La pantalla TFT está controlada por el driver
SSD196333 que tiene una
comunicación en paralelo de 16 bits de datos y 3 bits de control, uno de
habilitación general (CS), uno para definir que se envía datos al controlador (WR)
y el último que indica si ha llegado un dato o un comando para la configuración
del mismo. Los pines necesarios se configuran como salida. El driver de la
pantalla se lo configura para tener una velocidad de 100MHz y funcionar con una
pantalla de 800x480 píxeles.
El controlador posee un módulo de comunicación SPI que se usa para controlar al
generador de señales y a la pantalla táctil. El módulo SPI se lo configura como
master, una velocidad de 1MHz y los pines (chip select) respectivos para
seleccionar los dispositivos con los que se va a comunicar.
La pantalla táctil es de tipo resistiva y está controlada por el driver XPT204634 con
un conversor de 12 bits y una velocidad de muestreo de 125 KHz, el driver mide
las variaciones de resistencia de la pantalla y los envía por comunicación SPI al
microcontrolador. Por la comunicación SPI se configura al driver de la pantalla
táctil para que funcione con 12bits de conversión y un voltaje de referencia
diferencial.
El controlador debe estar provisto de una tabla de valores que correspondan a
las frecuencias del funcionamiento del equipo. La configuración del generador de
señales se la realiza por comunicación SPI, la configuración inicial comprende
una velocidad de 5kHz de una onda senoidal sin ángulo de fase.
33
34
Hoja de datos SOLOMON SYSTECH, SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA, SSD1963, pág. 9
Hoja de datos XPT2046 Táctil ScreenController, pág. 3
99
Para finalizar la inicialización de todos los módulos y dispositivos del equipo, se
inician las interrupciones generales del controlador, se crean las variables locales
y generales para el programa, y se grafican los ejes de la pantalla necesarios para
que empiece a graficar.
Después de la inicialización el programa entra en un bucle infinito, Figura 3.4, el
cual siempre inicia revisando si la pantalla táctil ha sido presionada, para cambiar
entre el plano de impedancias, las pantallas de impedancia vs tiempo y ángulo de
fase vs tiempo, y la pantalla de menú que permite variar la configuración del
equipo de medida.
1
No
Touch
presionado
?
Si
No
Posición
válida
Si
Si
Flag_ADC
=
True
Posición de
toque
No
Interpretar
datos del ADC
Enviar datos por
USART D0 a PC
1
Menú
Plano de
impedancias
Plano de Z vs t
y θ vs t
Limpia y gráfica
opciones de menú
Limpia y
gráfica ejes en
la pantalla
Limpia y
gráfica ejes en
la pantalla
Gráfica de puntos
de variables en
pantalla
1
1
Figura 3.4. Diagrama de flujo del funcionamiento del programa principal.
Si no se ha cambiado a una de las pantallas anteriormente dichas, revisa si ya
se han terminado las conversiones de los tres canales del módulo ADC, ya
100
finalizadas las conversiones se procede con un proceso matemático para obtener
las variables de impedancia y ángulo de fase.
Con las variables obtenidas se procede a graficar estos datos en la pantalla TFT y
por comunicación serial se envía al HMI de la PC remota por medio de módulos
Zigbee. Terminado este ciclo inicia otra vez desde la revisión de la pantalla táctil.
3.2 CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR
DEL MÓDULO DE COMUNICACIÓN PARA ENLAZAR EL EQUIPO
A UN COMPUTADOR VÍA ZIGBEE
Cada módulo Zigbee tiene una dirección única de 64bits que viene grabada de
fábrica. Por otro lado, la red Zigbee, utiliza para sus algoritmos de ruteo
direcciones de 16 bits. A cada dispositivo asociado a una red Zigbee se le
asignará una dirección única en toda la red de 16 bits, dada por el coordinador al
cual se asocia.
El número máximo teórico de dispositivos, que es el nº máximo de direcciones de
red que se pueden asignar, es de 2^16 = 65535.
Los módulos Xbee, pueden ser ajustados para usarse en redes de configuración
punto a punto, punto a multipunto o peer to peer.
En la Figura 3.5 se observan los elementos del XBEE Serie 1. El conector para la
antena RF, y el conector para una antena integrada Whip.
Figura 3.5. Elementos del módulo Xbee.
101
Existen otras versiones de módulos Xbee como los módulos Xbee PRO de la
Serie 1 que tienen un mayor alcance por la potencia de señal, en algunos casos
pueden alcanzar el doble de la distancia de transmisión.
Con los módulos Xbee PRO de la Serie 2, es posible crear redes más complejas,
como las llamadas MESH. Estas permiten acceder a un punto remoto, utilizando
módulos
intermedios
para
llegar
como
routers.
Además
los
módulos
automáticamente generaran la red entre ellos, sin intervención humana alguna,
permitiendo la reparación de la red en caso de que algún nodo falle. Al mismo
tiempo la red por sí sola resuelve la mejor ruta para un determinado paquete.
35
3.2.1 CIRCUITO BÁSICO PARA EL XBEE
En la Figura 3.6 se muestra las conexiones mínimas, necesarias, para utilizar el
módulo Xbee Serie 1. Después se configurará el módulo para un modo de
operación, dependiendo la aplicación que se vaya a realizar.
Figura 3.6. Conexiones mínimas requeridas para el Xbee.
El módulo se alimenta con un voltaje entre 2.8 a 3.4 V, además se necesita la
conexión a tierra y las líneas de transmisión de datos por medio del UART (TXD y
35
http://es.scribd.com/doc/58980339/Teoria-y-Programacion-Modulos-XBEE
102
RXD) para comunicarse con un microcontrolador, o directamente a un puerto
serial utilizando algún conversor adecuado para los niveles de voltaje.
3.2.2 MODOS DE OPERACIÓN
36
Los módulos Xbee, pueden operar en 5 modos QUE SE MUESTRAN EN LA
Figura 3.7.
Figura 3.7. Modos de operación del módulo Xbee.
Para nuestra aplicación utilizaremos los modos recibir/transmitir de la forma más
básica.
El módulo se encuentra en estos modos cuando le llega algún paquete RF a
través de la antena(modo Receive) o cuando se manda información serial al
buffer del pin 3 (UART Data in) que luego será transmitida (modo Transmit).
La información puede ser transmitida de manera Directa o Indirecta. En el modo
directo la información se envía inmediatamente a la dirección de destino. En el
modo indirecto la información es retenida durante un tiempo y es enviada sólo
cuando la dirección de destino la solicita.
36
http://es.scribd.com/doc/58980339/Teoria-y-Programacion-Modulos-XBEE
103
Además se puede enviar la información por dos modos. Unicast y Broadcast. Si
se utiliza el Unicast es para una comunicación punto a punto, y se recibirá una
respuesta de recepción de la información, quien recibe la información enviará un
paquete RF (llamado ACK que viene de Acknowledge), indicando que recibió la
información a la dirección de origen, de lo contrario el emisor seguirá reenviando
la información hasta recibir el ACK.
El modo Broadcastes comunicación entre un nodo y a todos los nodos de la red.
En este modo, no hay confirmación por ACK.
Para esta aplicación se utilizará el modo transparente, que viene por defecto
configurado en los módulos Xbee, en este modo todo lo que ingresa por el pin 3
(Data in), es guardado en el buffer de entrada y luego transmitido y todo lo que
ingresa como paquete RF, es guardado en el buffer de salida y luego enviado por
el pin 2 (Data out) (Figura 3.8).
Lo que se realizó, fue una comunicación punto a punto, reemplazando la
comunicación serial por cable, es la configuración más sencilla para aplicaciones
simples, que no necesitan ningún tipo de control.
La información se recibe por el pin 3 del módulo y es guardada en el buffer de
entrada, dependiendo como se configura el comando RO, la información puede
ser enviada cuando llegue un caracter o después de un tiempo dado sin que
llegue un caracter serial al pin 3. La información que se encuentre en el buffer de
entrada es integrada a un paquete RF y es transmitida.
Figura 3.8. Correspondencia de Buffer.
104
37
3.2.3 CONFIGURACIÓN PUNTO A PUNTO .
La configuración para este tipo de comunicación es la más sencilla, lo que se
debe hacer es únicamente configurar la dirección. Para realizar la configuración
se utilizan los comandos MY y DL. El comando MY definirá arbitrariamente una
dirección para el módulo, que se comunicará con otro que tiene la dirección DL
también definida arbitrariamente. Con esto cada módulo define su dirección con
MY, y escribe la dirección del módulo al cual se desea conectar usando DL.
En la Figura 3.9 se muestra un pequeño ejemplo donde las direcciones se
eligieron arbitrariamente:
Figura 3.9. Configuración módulo 1.
Se observa que en el módulo 1, se ajustó la dirección de origen como 0x3BA2
(ATMY3BA2), mientras que la dirección de destino se asignó como 0xCC11
(ATDLCC11) que corresponde al módulo 2.
En el otro módulo se observa lo siguiente:
37
http://es.scribd.com/doc/58980339/Teoria-y-Programacion-Modulos-XBEE y
http://webdelcire.com/wordpress/archives/1714
105
Figura 3.10. Configuración módulo 2.
En este módulo se asignó como dirección de origen 0xCC11 (ATMYCC11) y
como dirección de destino 0x3BA2 (ATDL3BA2) que corresponde al módulo 1. La
Figura 3.11 muestra un ejemplo gráfico de lo anterior.
Figura 3.11. Ejemplo de direccionamiento 16 y 64 bits.
En la figura 3.11, se muestra que la primera conexión es una punto a punto
utilizando direccionamiento de 16 bits, mientras que la segunda utiliza
direccionamiento de 64 bits. La principal diferencia es que en la de 64 bits, es
posible obtener una mayor cantidad de direcciones y por lo tanto, una mayor
cantidad de nodos o equipos funcionando en la misma red.
Con esta configuración el módem está listo para funcionar, lo que se transmite por
el pin DIN del uno es recibido por el pin DOUT del otro y viceversa.
106
En la Tabla 3.1, se puede encontrar la descripción de los campos y en la Tabla
3.2 un ejemplo de configuración y los valores que se deben asignar a los campos
de los módulos Xbee Serie 1 en “modo transparente” o en una conexión punto a
punto.
Tabla 3.1. Descripción de los comandos de módulos Xbee.
Tabla 3.2. Valores de configuración de módulos Xbee.
Existen otras formas de configurar una red Xbee, la anterior es una forma fácil
que solo involucra dos módems; aunque en todas ellas debemos asegurarnos que
se comparta el mismo identificador de la red (PAN ID), pues este valor nos
permite diferenciar redes que se encuentren cercanas y descarta cualquier
recepción que no corresponda con el valor PAN ID de nuestro modem.
107
CAPÍTULO 4
DESARROLLO DE LA HMI PARA
MONITOREO Y CONTROL
4.1 PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ HMI QUE CORRERÁ EN
LA COMPUTADORA
La interfaz del equipo de ensayos no destructivos se soporta en el programa
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), este es un
lenguaje de programación tipo G (entorno gráfico), para el diseño de sistemas de
adquisición de datos, instrumentación y control.
Los programas desarrollados mediante LabVIEW se denominan Instrumentos
Virtuales (VIs), porque su apariencia y funcionamiento imitan los de un
instrumento real. Sin embargo son análogos a las funciones creadas con los
lenguajes de programación convencionales. Los VIs tienen una parte interactiva
con el usuario y otra parte de código fuente, y aceptan parámetros procedentes
de otros VIs.
4.1.1 SOFTWARE DE DESARROLLO DE SISTEMAS NI LABVIEW
Figura 4.1. Logo del LabVIEW.
El software LabVIEW es ideal para cualquier sistema de medidas y control y el
corazón de la plataforma de diseño de NI. Al integrar todas las herramientas que
los ingenieros y científicos necesitan para construir una amplia variedad de
108
aplicaciones en mucho menos tiempo, NI LabVIEW es un entorno de desarrollo
para resolver problemas, productividad acelerada y constante innovación.
4.1.1.1 Principales características38
LabVIEW es una plataforma de programación gráfica que ayuda a ingenieros a
escalar desde el diseño hasta pruebas y desde sistemas pequeños hasta grandes
sistemas. Ofrece integración sin precedentes con software legado existente, IP y
hardware al aprovechar las últimas tecnologías de cómputo. LabVIEW ofrece
herramientas para resolver los problemas de hoy en día y la capacidad para la
futura innovación, más rápido y de manera más eficiente.
Presenta facilidades para el manejo de:
Interfaces de comunicaciones:

Puerto serie

Puerto paralelo

GPIB

PXI

VXI

TCP/IP, UDP, DataSocket

Irda

Bluetooth

USB

OPC...
Capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones:
38

DLL: librerías de funciones

.NET

ActiveX

Multisim
http://www.ni.com/labview/esa/
109

Matlab/Simulink

AutoCAD, SolidWorks, etc.
Herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales.
Visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos.
Adquisición y tratamiento de imágenes.
Control de movimiento (combinado incluso con todo lo anterior).
Tiempo Real estrictamente hablando.
Programación de FPGAs para control o validación.
Sincronización entre dispositivos.
4.1.1.2 Aplicaciones39

Adquiera y Analice Datos de Medida.
NI LabVIEW ofrece una incomparable integración con hardware de adquisición de
datos de NI y de terceros, bibliotecas de procesamiento de señales y controles de
interfaz de usuario construidos con propósitos específicos para visualización de
datos de medidas. Usted puede usar LabVIEW para desarrollar sistemas más
rápido, automatizar múltiples medidas y tomar decisiones basadas en datos.

Control de Instrumentos.
El software NI LabVIEW ayuda a adquirir datos desde instrumentos autónomos
desde cualquier bus y ofrece extensas bibliotecas para procesamiento de señales
y visualización de datos. Combine el poder del software NI LabVIEW y
39
http://www.ni.com/labview/esa/
110
controladores de IDNet para instrumentos específicos para automatizar
instrumentos de terceros y crear soluciones de medidas reutilizables que usted
puede programar y reconfigurar para cumplir con sus crecientes necesidades.

Sistemas de Monitoreo y Control Embebidos
NI LabVIEW lo último en software de diseño de sistemas usado por ingenieros y
científicos para diseñar, generar prototipos y desplegar aplicaciones embebidas
de control y monitoreo de manera eficiente. Combina cientos de bibliotecas preescritas, estrecha integración con hardware comercial y una variedad de enfoques
de programación incluyendo desarrollo gráfico, scripts de archivos .m y
conectividad a código ANSI C y HDL existente. Ya sea para diseñar dispositivos
médicos o robots complejos, usted puede reducir el tiempo al mercado y los
costos totales del diseño monitoreo y control embebidos con LabVIEW.

Sistemas de Pruebas Automatizadas y Validación.
NI LabVIEW, el software de diseño de sistemas líder para pruebas automatizadas,
es optimizado para darle las herramientas que necesita para desarrollar
rápidamente el software de pruebas. LabVIEW le ayuda a ir un paso adelante de
las demandantes necesidades de los sistemas al brindar una integración con una
amplia variedad de instrumentos, que van desde instrumentos tradicionales hasta
instrumentos PXI modulares definidos por software, así usted puede adquirir
prácticamente cualquier medida. La combinación de hardware reconfigurable y el
software de diseño de sistemas LabVIEW le permite construir prácticamente
cualquier sistema de pruebas automatizadas más rápido y con más seguridad.
4.1.1.3 Requerimientos del sistema40
Los requerimientos necesarios para instalar el software de desarrollo de sistemas
NI LabVIEW en los diferentes sistemas operativos se muestran en la Tabla 4.1.
40
http://www.ni.com/labview/esa/
111
Tabla 4.1. Requerimientos del Sistema.
Windows
Run-Time Engine
Entorno de Desarrollo
Procesador Pentium III/Celeron 866 MHz o
Pentium 4/M o equivalente
equivalente
RAM
256 MB
1 GB
Resolución
1024 x 768 píxeles
1024 x 768 píxeles
Windows 8.1/8/7/Vista (32 bits y 64
Windows 8.1/8/7/Vista (32 bits y 64 bits)
bits)
Windows XP SP3 (32 bits)
Windows XP SP3 (32 bits)
Windows Server 2012 R2 (64 bits)
Windows Server 2012 R2 (64 bits)
Windows Server 2008 R2 (64 bits)
Windows Server 2008 R2 (64 bits)
Windows Server 2003 R2 (32 bits)
de Pantalla
SO
Windows Server 2003 R2 (32 bits)
Espacio en
500 MB
5 GB (Incluye controladores predeterminados
Disco
del DVD de Controladores de Dispositivos de NI)
Mac OS X
Run-Time Engine
Entorno de Desarrollo
Procesador
Procesador basado en Intel
Procesador basado en Intel
RAM
256 MB
2 GB
Resolución
1024 x 768 píxeles
1024 x 768 píxeles
SO
OS X 10.7, 10.8 o 10.9
OS X 10.8 o 10.9
Espacio en
656 MB - 1.2 GB
1.2 GB para la instalación completa (excluyendo
de Pantalla
Disco
controladores)
112
Linux
Run-Time Engine
Entorno de Desarrollo
Procesador Pentium III/Celeron 866 MHz o equivalente
Pentium 4/M o equivalente
RAM
256 MB
1 GB
Resolución
1024 x 768 píxeles
1024 x 768 píxeles
Linux kernel 2.4x, 2.6x o 3.x y GNU C Library
Red Hat Enterprise Linux Desktop +
(glibc) Versión 2.5.1 para la arquitectura Intel
Workstation 6 o posterior, open SUSE 12.3
x86_64
o 13.1 o Scientific Linux 6 o posterior.
de Pantalla
SO
La Guía de Instalación de LabVIEW omite de
un modo incorrecto Linux kernel 3.x de esta
lista.
Espacio en
115 MB (32 bits)
1.2 GB para la instalación completa de cada
Disco
131 MB (64 bits)
bitness
1.4 GB para la instalación completa de
LabVIEW de 32 y 64 bits
NI SignalExpress.

Windows 8/Windows 7/Vista/XP SP3/Server 2003 R2 (32 bits)/Server 2008 R2
(64 bits)

1 GB de RAM

2 GB de espacio libre en disco

Procesador Pentium 4 o equivalente
Módulo LabVIEW Real-Time.

Sistema de desarrollo Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) para
Windows más lo siguiente:
o
200 MB de espacio adicional disponible en disco
o
Hardware de tiempo real y software controlador
113

Puede llegar a necesitar más memoria que la mínima recomendada por
LabVIEW dependiendo del tamaño de la aplicación que diseñe en LabVIEW
en la PC principal.
Módulo LabVIEW Datalogging and Supervisory Control.

Sistema de desarrollo Base, Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits)
para Windows más lo siguiente:
o
2.5 GB de espacio adicional disponible en disco
o
512 MB de RAM. National Instruments recomienda 1 GB de RAM
o
Internet Explorer 6 Service Pack 1 o posterior
Módulo LabVIEW MathScript RT.

Sistema de desarrollo Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) más lo
siguiente:
o
500 MB de espacio adicional disponible en disco
Módulo LabVIEW Touch Panel.

Sistema de desarrollo Base, Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits)
para Windows más lo siguiente:
o
250 MB de espacio adicional disponible en disco
o
(Windows CE) Dispositivo con pantalla táctil, como el NI TPC-2006,
ejecutando Windows CE 4.2 o 5.0
o
(Windows Embedded Standard) Dispositivo con pantalla táctil, como el NI
TPC-2512, ejecutando Windows Embedded Standard
Módulo LabVIEW Control Design and Simulation.

Sistema de desarrollo Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) más lo
siguiente:
o
Por lo menos 500 MB de espacio adicional en disco para soporte de
Diseño de Control y Simulación de LabVIEW
114
o
(Opcional) Módulo LabVIEW MathScript RT
o
(Opcional) LabVIEW SignalExpress – Si planea instalar el LabVIEW
Control Design Assistant, primero debe instalar LabVIEW SignalExpress
Módulo Vision Development para LabVIEW.

Sistema de desarrollo Base, Completo o Profesional de LabVIEW (32 y 64
bits) para Windows más lo siguiente:
o
Procesador mínimo: Pentium de 233 MHz o equivalente
o
Por lo menos 1.4 GB de espacio adicional en disco para el Módulo Vision
Development para LabVIEW
Módulo LabVIEW Statechart.

Sistema de desarrollo Base, Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits)
para Windows más lo siguiente:
o
250 MB de espacio adicional disponible en disco
Módulo LabVIEW NI SoftMotion.

Sistema de desarrollo Base, Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits)
para Windows más lo siguiente:
o
250 MB de espacio adicional disponible en disco
o
2 GB en RAM recomendado si se usa NI SoftMotion para SolidWorks
o
(Opcional) Se requiere el Módulo LabVIEW Real-Time si se usa un objetivo
PXI
Módulo LabVIEW Robotics.

Sistema de desarrollo Completo o Profesional de LabVIEW (32 bits) para
Windows más lo siguiente:
o
Por lo menos 700 MB de espacio en disco
115
4.1.2 INTERFAZ DEL USUARIO
En el diagrama de flujo de la Figura 4.2 se muestra los parámetros inicializados
en el programa del HMI en LabVIEW. El primer parámetro que se inicializa es la
configuración de los registros para la comunicación USART a una velocidad de
9600 bps, posteriormente se inicializa los archivos de almacenamiento, al recibir
estos datos se los convierte y se manda a graficar.
Inicio
Inicialización de
comunicación serial
(9600 bps)
Inicializacion de archivos de
almacenamiento (.xls)
No
Recibió
datos?
Si
Convertidor
String to
Integer
Graficador de
datos
No
Almacenar datos de
Impedancia y Angulo
de fase
Desea
salir?
Si
Finalizar
comunicación y
archivos
Figura 4.2. Diagrama de flujo de HMI.
El VI (Instrumento Virtual) del equipo de ensayos no destructivos está formado de
dos partes, una es la Interfaz de Configuración y por otro lado la Interfaz de
Gráficas.
4.1.2.1 Interfaz de configuración
La Interfaz de Configuración se muestra en la Figura 4.3 y se encarga de definir el
puerto de comunicación que se usa para la interfaz con el controlador, establecer
la velocidad de comunicación y establecer la dirección en la que se va a guardar
116
un archivo .xls con las variables que se han sensado durante el funcionamiento
del equipo.
Figura 4.3. Programa de la interfaz de configuración.
4.1.2.2 Interfaz de gráficas
Configurada la comunicación y establecido el archivo que se guardara, inicia la
interfaz gráfica que se muestra en la Figura 4.4, se adquiere los datos enviados
desde el controlador al PC y este valor que está en formato string se lo convierte
a doble para poder graficarlo en la interfaz, para terminar guarda los datos en el
archivo que se creó al inicio. Si se desea en cualquier momento se puede detener
el funcionamiento del VI, presionando el botón de STOP.
117
Figura 4.4. Programa de la interfaz de graficas.
118
4.2 CONFIGURACIONES DE LA COMUNICACIÓN ENTRE LA
COMPUTADORA Y EL MÓDULO DE COMUNICACIÓN DISEÑADO
La comunicación entre la computadora y el equipo se realiza vía Zigbee, este tipo
de comunicación inalámbrica ya se desarrolló en el CAPÍTULO 3, SUBCAPÍTULO
3.2.
Para la configuración de la comunicación entre el PC y el EQUIPO en primer lugar
se abre el programa de la interfaz de configuración en LabVIEW como se muestra
en la Figura 4.3, aquí se observa un parámetro denominado como COM, este
hace referencia al puerto USB habilitado por el computador para el módulo
Zigbee.
Figura 4.5. FT232R USB UART identificado.
Para ver que puerto COM del computador está habilitado se conecta el módulo
Zigbee en un puerto USB del computador, luego se va a Dispositivos e
119
Impresoras para identificar el periférico denominado FT232R USB UART como se
muestra en la Figura 4.5, se inspecciona en las propiedades del Hardware de este
dispositivo y se determina el número de COM habilitado en este caso el COM3
como se muestra en la Figura 4.6.
Figura 4.6. Propiedades FT232R USB UART.
Una vez identificado el número de COM habilitado en el computador escribimos
este parámetro en el programa de interfaz de configuración que se muestra en la
Figura 4.3, los parámetros de Baud Rate, Dirección y Nombre de Archivo están
predeterminados, luego se pasa al programa de la interfaz de gráficas como se
muestra en la Figura 4.4 y se manda a correr el programa para finalmente
enlazarse con el módulo del prototipo.
120
CAPÍTULO 5
PRUEBAS Y RESULTADOS
Las pruebas del equipo de corrientes inducidas, fueron realizadas en el
laboratorio de Ensayos No Destructivos de la Facultad de Ingeniería Mecánica de
la EPN y bajo la supervisión de los ingenieros encargados de dicho laboratorio.
Los resultados obtenidos fueron satisfactorios, a continuación se presentan los
resultados de porcentaje de conductividad (% de conductividad) para varios
materiales provistos en el laboratorio y en varias frecuencias.
También se presentan los resultados para detección de fisuras superficiales, en
una muestra de aluminio con fisuras de distintas profundidades.
5.1 PRUEBA DE CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
La conductividad eléctrica es una propiedad inversamente proporcional a la
resistividad eléctrica, propia de los materiales, en consecuencia podemos
diferenciar las diferentes muestras y determinar, aproximadamente, que material
es, ya que cada muestra tiene una impedancia diferente y al variar la impedancia
entre las muestras, también varía su conductividad.
5.1.1 PATRONES DE CONDUCTIVIDAD
Para determinar la conductividad eléctrica de los materiales se toma como
referencia los estándares de la Internacional Annealed Cooper Standard, que
utiliza unidades de % I.A.C.S. Se toman los valores estándar para la
conductividad de la plata que es 110 % I.A.C.S que es de las más altas y el de los
aceros que está entre los 9 a 12 % I.A.C.S.
121
5.1.2 RESULTADOS DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
Para realizar esta prueba se utilizan 4 materiales, Figura 5.1, que fueron dados en
el laboratorio de Ensayos No Destructivos. Se tiene una barra de cobre, bronce,
acero y aluminio. Estas son las muestras de materiales que utilizan para las
prácticas de laboratorio.
BRONCE
ACERO
COBRE
ALUMINIO
Figura 5.1. Elementos de prueba.
A continuación se presentan los resultados de % de conductividad de los
diferentes cuerpos de pruebas, para varias frecuencias utilizadas en el método de
Corrientes Inducidas (Bajas frecuencias, frecuencias medias y altas frecuencias),
que se muestran en el equipo y en el HMI de Labview.
122
5.1.2.1 Baja frecuencia 50 KHz
Cobre
Figura 5.2. Prueba de % de conductividad para cobre a 50 KHz.
123
Aluminio
Figura 5.3. Prueba de % de conductividad para aluminio a 50 KHz.
124
Bronce
Figura 5.4. Prueba de % de conductividad para bronce a 50 KHz.
125
Acero
Figura 5.5. Prueba de % de conductividad para acero a 50 KHz.
126
5.1.2.2 Baja frecuencia 70 KHz
Cobre
Figura 5.6. Prueba de % de conductividad para cobre a 70 KHz.
127
Aluminio
Figura 5.7. Prueba de % de conductividad para aluminio a 70 KHz.
128
Bronce
Figura 5.8. Prueba de % de conductividad para bronce a 70 KHz.
129
Acero
Figura 5.9. Prueba de % de conductividad para acero a 70 KHz.
130
5.1.2.3 Baja frecuencia 100 KHz
Cobre
Figura 5.10. Prueba de % de conductividad para cobre a 100 KHz.
131
Aluminio
Figura 5.11. Prueba de % de conductividad para aluminio a 100 KHz.
132
Bronce
Figura 5.12. Prueba de % de conductividad para bronce a 100 KHz.
133
Acero
Figura 5.13. Prueba de % de conductividad para acero a 100 KHz.
134
5.1.2.4 Baja frecuencia 150 KHz
Cobre
Figura 5.14. Prueba de % de conductividad para cobre a 150 KHz.
135
Aluminio
Figura 5.15. Prueba de % de conductividad para aluminio a 150 KHz.
136
Bronce
Figura 5.16. Prueba de % de conductividad para bronce a 150 KHz.
137
Acero
Figura 5.17. Prueba de % de conductividad para acero a 150 KHz.
138
5.1.2.5 Frecuencia Media 200 KHz
Cobre
Figura 5.18. Prueba de % de conductividad para cobre a 200 KHz.
139
Aluminio
Figura 5.19. Prueba de % de conductividad para aluminio a 200 KHz.
140
Bronce
Figura 5.20. Prueba de % de conductividad para bronce a 200 KHz.
141
Acero
Figura 5.21. Prueba de % de conductividad para acero a 200 KHz.
142
5.1.2.6 Frecuencia Media 300 KHz
Cobre
Figura 5.22. Prueba de % de conductividad para cobre a 300 KHz.
143
Aluminio
Figura 5.23. Prueba de % de conductividad para aluminio a 300 KHz.
144
Bronce
Figura 5.24. Prueba de % de conductividad para bronce a 300 KHz.
145
Acero
Figura 5.25. Prueba de % de conductividad para acero a 300 KHz.
146
5.1.2.7 Frecuencia Media 340 KHz
Cobre
Figura 5.26. Prueba de % de conductividad para cobre a 340 KHz.
147
Aluminio
Figura 5.27. Prueba de % de conductividad para aluminio a 340 KHz.
148
Bronce
Figura 5.28. Prueba de % de conductividad para bronce a 340 KHz.
149
Acero
Figura 5.29. Prueba de % de conductividad para acero a 340 KHz.
150
5.1.2.8 Frecuencia Media 370 KHz
Cobre
Figura 5.30. Prueba de % de conductividad para cobre a 370 KHz.
151
Aluminio
Figura 5.31. Prueba de % de conductividad para aluminio a 370 KHz.
152
Bronce
Figura 5.32. Prueba de % de conductividad para bronce a 370 KHz.
153
Acero
Figura 5.33. Prueba de % de conductividad para acero a 370 KHz.
154
5.1.2.9 Alta frecuencia 400 KHz
Cobre
Figura 5.34. Prueba de % de conductividad para cobre a 400 KHz.
155
Aluminio
Figura 5.35. Prueba de % de conductividad para aluminio a 400 KHz.
156
Bronce
Figura 5.36. Prueba de % de conductividad para bronce a 400 KHz.
157
Acero
Figura 5.37. Prueba de % de conductividad para acero a 400 KHz.
158
5.1.2.10 Alta frecuencia 440 KHz
Cobre
Figura 5.38. Prueba de % de conductividad para cobre a 440 KHz.
159
Aluminio
Figura 5.39. Prueba de % de conductividad para aluminio a 440 KHz.
160
Bronce
Figura 5.40. Prueba de % de conductividad para bronce a 440 KHz.
161
Acero
Figura 5.41. Prueba de % de conductividad para acero a 440 KHz.
162
5.1.2.11 Alta frecuencia 470 KHz
Cobre
Figura 5.42. Prueba de % de conductividad para cobre a 470 KHz.
163
Aluminio
Figura 5.43. Prueba de % de conductividad para aluminio a 470 KHz.
164
Bronce
Figura 5.44. Prueba de % de conductividad para bronce a 470 KHz.
165
Acero
Figura 5.45. Prueba de % de conductividad para acero a 470 KHz.
166
5.1.2.12 Alta frecuencia 500 KHz
Cobre
Figura 5.46. Prueba de % de conductividad para cobre a 500 KHz.
167
Aluminio
Figura 5.47. Prueba de % de conductividad para aluminio a 500 KHz.
168
Bronce
Figura 5.48. Prueba de % de conductividad para bronce a 500 KHz.
169
Acero
Figura 5.49. Prueba de % de conductividad para acero a 500 KHz.
170
En la Tabla 5.1 se tiene todos los resultados de las pruebas, siendo la columna
Proto., los valores que se obtienen del equipo de corrientes inducidas y Labv., los
valores que se obtienen del HMI.
Tabla 5.1. Resultados de % de conductividad de materiales.
Frecuencia
% de Conductividad
(KHz)
Cobre
Aluminio
Bronce
Acero
Proto.
Labv.
Proto.
Labv.
Proto.
Labv.
Proto.
Labv.
50
61
63
77
73
65
65
56
55
70
76
77
85
85
76
75
55
55
100
66
67
67
66
54
63
40
48
150
66
71
63
67
60
58
36
21
200
72
73
71
75
62
62
34
42
300
75
79
65
66
53
59
23
30
340
85
84
82
79
69
70
22
23
370
87
89
81
81
50
59
15
19
400
87
92
70
73
41
56
11
18
440
87
93
80
81
43
40
3
4
470
87
91
82
72
62
61
17
5
500
90
102
82
76
58
59
13
9
En las Figuras 5.50 y 5.51 se observa la curva de % conductividad de los
materiales para bajas frecuencias, la Figura 5.50 para los valores del equipo y la
Figura 5.51 para los valores de Labview.
171
% de Conductividad
% Conductividad Bajas Frecuencias
(Prototipo)
100
80
50 KHz
60
70 KHz
40
100 KHz
150 KHz
20
0
Cobre
Aluminio
Bronce
Acero
Materiales
Figura 5.50. % de Conductividad Bajas Frecuencias
(Equipo de Corrientes Inducidas).
% de Conductividad
% de Conductividad Bajas Frecuencias
(Labview)
100
80
50 KHz
60
70 KHz
40
100 KHz
150 KHz
20
0
Cobre
Aluminio
Bronce
Acero
Materiales
Figura 5.51. % de Conductividad Bajas Frecuencias (Labview).
En las Figuras 5.52 y 5.53 se observa la curva de % conductividad de los
materiales para frecuencias medias, la Figura 5.52 para los valores del equipo y la
Figura 5.53 para los valores de Labview.
172
% de Conductividad
% Conductividad Frecuencias Medias
(Prototipo)
100
80
200 KHz
60
300 KHz
40
340 KHz
370 KHz
20
0
Cobre
Aluminio
Bronce
Acero
Materiales
Figura 5.52. % de Conductividad Frecuencias Medias
(Equipo de Corrientes Inducidas).
% Conductividad Frecuencias Medias
(Labview)
% de Conductividad
100
80
200 KHz
60
300 KHz
40
340 KHz
370 KHz
20
0
Cobre
Aluminio
Bronce
Acero
Materiales
Figura 5.53. % de Conductividad Frecuencias Medias (Labview).
En las Figuras 5.54 y 5.55 se observa la curva de % conductividad de los
materiales para altas frecuencias, la Figura 5.54 para los valores del equipo y la
Figura 5.55 para los valores de Labview.
173
% de Conductividad
% Conductividad Altas Frecuencias
(Prototipo)
100
80
400 KHz
60
440 KHz
40
470 KHz
500 KHz
20
0
Cobre
Aluminio
Bronce
Acero
Materiales
Figura 5.54. % de Conductividad Altas Frecuencias
(Equipo de Corrientes Inducidas).
% de Conductividad
% Conductividad Altas Frecuencias
(Labview)
120
100
400 KHz
80
440KHz
60
470 KHz
40
500 KHz
20
0
Cobre
Aluminio
Bronce
Acero
Materiales
Figura 5.55. % de Conductividad Altas Frecuencias (Labview).
5.2 PRUEBA DE DISCONTINUIDADES
Las discontinuidades se definen como la falta de continuidad, de cohesión e
interrupción en la estructura física normal de un material. Esto afecta el
rendimiento de los materiales. Cuando la bobina alimentada por una corriente
alterna pasa sobre una discontinuidad, las corrientes inducidas en dicho material
sufren perturbaciones y por tanto la impedancia cambia, esto se verá reflejado en
el cambio de porcentaje de conductividad eléctrica.
174
5.2.1 RESULTADOS DE DETECCIÓN DE DISCONTINUIDADES
Para esta prueba se utiliza un bloque de aluminio con fisuras de 1, 2 y 3 mm de
profundidad, que se muestra en la Figura 5.56, se setea el equipo a una
frecuencia de 450 KHz y se comprueba los cambios del % de conductividad, de
impedancia y por tanto de ángulo de defase.
Figura 5.56. Bloque de prueba con fisuras.
A continuación se muestran los resultados obtenidos del % de conductividad, el
cambio de impedancia y cambio de ángulo, sobre la superficie plana y sobre las
diferentes fisuras, en el equipo y en el HMI de Labview.
5.2.1.1 Superficie Lisa
Figura 5.57. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz
(Superficie lisa Labview).
175
Figura 5.58. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz
(Superficie lisa Prototipo).
5.2.1.2 Fisura de 1 mm
Figura 5.59. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz
(Fisura 1 mm Labview).
176
Figura 5.60. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz
(Fisura 1 mm Prototipo).
5.2.1.3 Fisura de 2 mm
Figura 5.61. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz
(Fisura 2 mm Labview).
177
Figura 5.62. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz
(Fisura 2 mm Prototipo).
5.2.1.4 Fisura de 3 mm
Figura 5.63. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz
(Fisura 3 mm Labview).
178
Figura 5.64. Prueba de % de conductividad para fisuras en aluminio a 450 KHz
(Fisura 3 mm Prototipo).
En la Tabla 5.2, se tiene los resultados de las pruebas, en ambos casos se
observa que la tendencia es similar, empezando con una referencia dada por el
dato de superficie lisa y disminuyendo mientras aumenta el tamaño de la fisura.
Tabla 5.2. % de conductividad en fisuras (Bloque de aluminio).
Fisura (mm)
Prototipo (%)
Labview (%)
0
76
85
1
75
83
2
71
78
3
68
73
A continuación se presentan las curvas de % de conductividad y se observa que
ambas son similares, en la gráfica del equipo de corrientes inducidas, Figura 5.65,
y en la gráfica de Labview, Figura 5.66.
179
Variación de % de conductividad
(Prototipo)
% de conductividad
78
76
74
72
70
68
66
64
0
1
2
3
Fisuras (mm)
Figura 5.65. % de Conductividad en Fisuras
(Equipo de Corrientes Inducidas).
Variación de % de conductividad
(Labview)
% de conductividad
90
85
80
75
70
65
0
1
2
Fisuras (mm)
Figura 5.66. % de Conductividad en Fisuras
(Labview).
3
180
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 CONCLUSIONES
El proyecto fue establecido para funcionar en un amplio rango de frecuencias, que
van desde 50kHz a 500kHz, para esto las señales senoidales fueron las más
aptas,
y se analizaron dos opciones para implementarlas: usar el circuito
convencional de un conversor digital/análogo o comprar un generador de la
funciones. Usar un circuito D/A es poco recomendable por que no genera una
curva suave, poco simétrica o inyecta armónicos al sistema, por lo cual se decidió
comprar un generador de funciones diseñado para altas frecuencias.
El generador de funciones da una señal de corriente, por lo cual se usa una
resistencia, para trabajar solo con voltaje, dicha resistencia no debe pasar los
valores límites recomendados por el fabricante del generador de funciones. Esta
señal se presenta con un offset, por lo cual se añade un filtro pasa altos, antes de
amplificar dicha señal. Para evitar problemas de impedancias se usa
amplificadores operacionales en configuración de seguidor así se tiene señales
con alta impedancia.
Para no perder los valores pequeños del sistema tanto la señal de corriente como
de voltaje pasan por un rectificador de precisión de onda completa, es de onda
completa para obtener el tiempo mínimo posible entre crestas, evitar que se
pierda información y tener una señal más estable. Con este acondicionamiento, el
circuito posterior, que es un retenedor de picos, puede dar valores constantes y
seguir rápidamente a las variaciones de los picos.
Como las variaciones de los picos de corriente son bastante pequeñas, se pasa la
señal que representa la corriente por amplificadores restadores, para restar un
valor de voltaje se debe usar fuentes reguladas de alta precisión, las cuales no
varían fácilmente con cambios de carga o de temperatura.
181
Antes de definir los parámetros de variación, con cada material, se define la
amplificación útil para las señales de voltaje y corriente en todo el rango de
frecuencias. Para no interferir con el circuito de excitado (sonda y señal del
generador), la señal de voltaje se obtiene de forma directa, mediante seguidores,
y es amplificado a un valor adecuado. La señal que representa la corriente se
obtiene a través de una resistencia que se la podría llamar shunt cuyo valor es
alto para poder adquirir el valor bajo de la corriente, también se usan seguidores
para posteriormente amplificarla.
Para determinar el ángulo se usa un circuito multiplicador, el cual genera una
onda definida por dos funciones trigonométricas, una de las cuales se elimina por
un filtro pasa bajos, la otra contiene un valor que representa al ángulo y con el uso
de funciones trigonométricas obtenemos el valor real.
Para replicar de forma adecuada la señal original, según el teorema de Nyquist es
necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble de la máxima
frecuencia a muestrear. Esto se consideró para la adquisición de datos por el
CAD del microcontrolador.
Para usar la pantalla TFT se utilizó un microcontrolador de 32 bits, por la
velocidad que representa, permitiendo tener graficas más dinámicas. Cada píxel
de la pantalla es configurado por 24 bits (RGB), los cuales representan 8bits el
color rojo (R), verde (G) y azul (B).
La frecuencia que se elige para realizar las inspecciones de los materiales, influye
en las variables de inspección. La profundidad de penetración aumenta a medida
que la frecuencia disminuye, pero por el contrario la sensibilidad se reduce, y
viceversa, a mayor frecuencia mayor sensibilidad y menor penetración. Este
proyecto se enfoca en fisuras superficiales, por lo que las frecuencias adecuadas
para las inspecciones deben ser mayores a 300 KHz.
182
La sonda de prueba es el elemento más crítico de todo el sistema de corrientes
inducidas, debido a que es sensible a interferencias y ruido externo, lo que puede
originar valores de % de conductividad no tan exactos en las inspecciones y
pueden tener un porcentaje de error alrededor del 3 al 7%.
Con la ayuda del HMI de Labiew se puede observar con mayor claridad los
cambios que sufren la impedancia y el ángulo de desfase al presentarse
discontinuidades en las muestras, ya que en los planos se puede cambiar las
escalas según el criterio de la persona encargada de la inspección. Además se
puede controlar el tiempo de adquisición de datos para presentar las gráficas
según nuestro interés para tomar datos o adquirir imágenes de los planos.
En esta aplicación se utiliza la comunicación vía Zigbee, en configuración punto a
punto, reemplazando la comunicación serial por cable, esta es la configuración
más sencilla ya que no se necesita ningún tipo de control, sólo está siendo
utilizada para adquirir datos y presentarlos en la HMI de Labview.
6.2 RECOMENDACIONES
Para las placas de la parte analógica se recomienda usar una malla a tierra, así
se elimina la interferencia de radio frecuencia, en la parte digital no es necesario,
a menos que se necesite disipación de calor. Las fuentes para los dos sistemas
deben ser aisladas y las tierras cortocircuitadas a través de una bobina de
acoplamiento. En cada fuente se debe añadir filtros capacitivos o ferrite beads.
Se podría hacer una mejora del sistema, si se utilizan resistencias digitales en los
amplificadores, que podrían ser calibradas con un valor único para cada valor de
frecuencia.
Con un microcontrolador que maneje operaciones con punto flotante se podría
acelerar el funcionamiento del sistema microcontrolado y mejorar la presentación
de los datos en la pantalla TFT.
183
Para proteger al microcontrolador de voltajes excesivos, a la entrada del
convertidor analógico digital (CAD)
se deben colocar limitadores de voltaje o
diodos zener, así aseguraremos un correcto funcionamiento del equipo.
Para realizar las inspecciones se recomienda mantener una distancia, mínima de
3 mm., desde los bordes, del objeto a analizar, hasta la sonda, sin embargo este
valor depende de la frecuencia de prueba y del tipo y tamaño de la sonda. Con la
sonda que se trabaja en este proyecto es suficiente los 3mm de separación en
cualquier valor de frecuencia.
En todas las mediciones se deberá tener en cuenta, el espesor de la muestra para
elegir la frecuencia de prueba adecuada, además la calibración e inspección se
deberán hacer a la misma temperatura.
Para realizar la inspección en materiales desconocidos se deberá fijar el valor
base, al medirlo en la superficie lisa, a partir de ese valor se comprobará si
existen fisuras, ya que disminuirá el valor de % de conductividad al presentarse
defectos.
Para utilizar el HMI de Labview en cualquier computadora, esta deberá tener una
versión de Labview 2009 o superior, además se deberán actualizar los codecs
para que el módulo Xbee sea detectado en el puerto USB como FT232R USB
UART, y así poder habilitar en la aplicación de Labview el puerto del que se
tomarán los datos COMxx.
184
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] William Smith F., “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”,
tercera edición, ed. Mc-Graw Hill.
[2] James Shackerlford F., “Introducción a la Ciencia de Materiales para
Ingenieros”, cuarta edición, ed. Prentice Hall (1998).
[3] Edward Finn M., “FÍSICA Campos y Ondas”, ed. Addison-Wesley
Iberoamericana (1987).
[4] Gómez de León E., “Corrientes Inducidas Nivel II END”, ed. Fundación
Confemetal.
[5] US Deparment of Transportation, “Detection and Sizing of Cracks in Structural
Steel Using the Eddy Current Method”, (2000).
[6] Holatz-Hans Teuchert A., “Fundamentos de la Electrotecnia segunda parte”,
edit. Labor (1968).
[7] Berlemann L., Mangold E., Walke B., “IEEE 802, Wireless Systems Protocols,
Multi-hop Mesh-Relaying, Performance and Spectrum Coexistence”, edit. Jhon
Wiley & Sons (2007).
[8] Archundia Papacetzi F., “Wireless Personal Area Network (WPAN) & Home
Networking”, edit. Universidad de las Américas Puebla (2003).
[9] Álvarez Álvarez G., “El estándar ZigBee”.
185
ANEXOS
ANEXO 1.- MANUAL DEL USUARIO.
ANEXO 1.1 EQUIPO DE CORRIENTES INDUCIDAS
El equipo de corrientes inducidas construido que permitirá la visualización de un
plano de impedancias, luego de adquirir los valores de impedancia y ángulo de
fase; presentes en la sonda a diferentes frecuencias seleccionadas, está
compuesto por tarjetas electrónicas que trabajando en conjunto logran graficar
dicho plano de impedancia y la variación del ángulo.
El equipo consta de los siguientes elementos como se muestra en la Figura a.
Figura a. Equipo de corrientes inducidas.
1.- Pantalla TFT de 5”.- En esta pantalla se visualizará el plano de impedancia y
la variación del ángulo en dos gráficas independientes, así también se podrá
186
observar los valores de frecuencia que serán seleccionados por el usuario, los
valores de voltaje, corriente, impedancia, la conductividad y el ángulo.
2.- Selector de ON/OFF.- Sirve para encender o apagar el equipo de corrientes
inducidas.
3.- Conector BNC.- Aquí se conecta la sonda (Figura b) para obtener los valores
de voltaje y corriente a ser procesados para obtener las gráficas.
Figura b. Sonda de prueba.
Modo de operación:
1.- Enchufar el cable de poder a la red de la toma eléctrica (120V).
2.- Conectar la sonda de prueba al conector BNC.
3.- Encender el equipo.
4.- En la pantalla aparecerá un cuadro de presentación y luego se mostrará los
ejes de las gráficas.
5.- Seleccionar la frecuencia a la que se va a trabajar de manera táctil pulsando
en la parte superior media de la pantalla si se quiere aumentar la frecuencia o en
la parte inferior media de la pantalla si se quiere disminuir la frecuencia en pasos
de 10 KHz dentro de un rango que va de los 50 KHz a los 500KHz.
187
6.- Inspeccionar con la sonda de prueba los diferentes tipos de materiales a ser
analizados y visualizar en la pantalla el plano de impedancia y la gráfica de la
variación del ángulo.
7.- Para visualizar estas gráficas en una mayor escala según convenga al usuario
conectarse a la HMI mediante el LabView en una PC. Este procedimiento se
desarrollará en el Anexo 1.2.
8.- Para desenergizar el equipo se debe colocar el selector ON/OFF en la
posición OFF.
Recomendaciones para solucionar fallas en el equipo:
1.- Verificar que exista un voltaje de 120 V entre las fases de alimentación del
equipo.
2.- En caso de no encenderse la pantalla cuando el selector ON/OFF este en
posición ON y exista el voltaje adecuado de alimentación, verificar el estado del
fusible.
3.- En caso de que la pantalla se encienda pero no muestre los ejes de las
gráficas, apagar el equipo y encender nuevamente.
4.- Si al palpar con la sonda los distintos materiales no da ningún cambio en las
gráficas verificar que la sonda de prueba esté conectada correctamente.
5.- Si algún tipo de avería continúa en el equipo, se recomienda ponerse en
contacto con los diseñadores del equipo para dar solución al problema suscitado.
ANEXO 1.2 HMI LABVIEW
La interfaz del equipo de corrientes inducidas se soporta en el programa LabView,
mediante este software se visualizará en una mayor escala las gráficas que se
obtiene en el equipo de corrientes inducidas y se podrá analizar con mayor
188
sensibilidad los cambios en los distintos materiales a prueba en el laboratorio de
ensayos no destructivos.
La Interfaz de configuración consta de los siguientes elementos como se
muestra en la Figura c.
Figura c. Interfaz de configuración.
1.- Este ícono denominado Gráficas sirve para que luego de configurar el HMI se
muestre las gráficas de impedancia y del ángulo, y los valores de conductividad,
impedancia y del ángulo.
2.- Este ícono denominado Configuración sirve para establecer los parámetros
necesarios para la comunicación del equipo con la PC.
3.- Aquí se establece el número del puerto COM que está habilitado en el
computador para el módulo Zigbee.
4.- Aquí se determina la velocidad de comunicación.
5.- Aquí se establece la dirección del archivo que se va a guardar que ya está
predeterminado.
6.- Aquí se establece el tipo de archivo que se va a guardar que ya está
predeterminado.
189
La Interfaz de gráficas consta de los siguientes elementos como se muestra en la
Figura d.
Figura d. Interfaz de gráficas.
1.- El STOP sirve para detener las gráficas cuando el usuario lo requiera, y por
consiguiente el programa está pausado.
2.- Aquí se muestra la gráfica de ángulo vs tiempo, en donde se puede variar las
escalas según convengan.
3.- Aquí se muestra la gráfica de impedancia vs tiempo, en donde se puede variar
las escalas según convenga.
4.- Aquí se muestra el valor de conductividad.
190
5.- Aquí se muestra el valor de impedancia.
6.- Aquí se muestra el valor del ángulo.
Modo de operación:
1.- Instalar el programa Labiew en un computador.
2.- Abrir el programa de interfaz de configuración.
3.- Conectar el módulo Zigbee en un puerto USB del computador.
4.- Verificar el número del puerto COM habilitado en este computador para el
módulo Zigbee. (Revisar el CAPÍTULO 4, Subcapítulo 4.2)
5.- Establecer el número del puerto y la velocidad de comunicación en la ventana
de la interfaz de configuración, la dirección y el nombre del archivo ya están
predeterminados.
6.- Abrir la ventana de la interfaz de gráficas y ejecutar el programa para visualizar
la gráfica del plano de impedancia y la gráfica del ángulo, así también se visualiza
los valores de conductividad, impedancia y del ángulo.
7.- Para cerrar el programa, primero detener la ejecución con el STOP y
desconectar el módulo Zigbee.
Recomendaciones para solucionar fallas en el equipo:
1.- En caso de que no se ejecute el programa, verificar que el número del puerto
COM habilitado para el módulo Zigbee sea el correcto.
2.- En caso de que no se abra el archivo del HMI, verificar que la versión del
Labview instalado en el computador sea compatible con el archivo.
3.- Si algún tipo de avería continúa en el equipo, se recomienda ponerse en
contacto con los diseñadores del equipo para dar solución al problema suscitado.
191
ANEXO 2.- HOJAS DE DATOS.
ANEXO 2.1 DATA SHEET DEL ATXMEGA 128A3U.
192
193
ANEXO 2.2 DATA SHEET DEL AD9834
194
ANEXO 2.3 DATA SHEET DEL XPT2046.
195
196
ANEXO 2.4. DATA SHEET DEL TLE2074
197
ANEXO 2.5 DATA SHEET DEL CD4066
198
ANEXO 2.6 DATA SHEET DEL AD620
199
ANEXO 2.7 DATA SHEET DEL LM741
200
201