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ResumenÑ Este art�culo describe la construcci�n de un

modelo funcional a nivel de laboratorio, para la generaci�n y

monitorizaci�n de se�ales piezo-actuadas en ductos met�licos. El

modelo consta de dos circuitos de acondicionamiento y un

circuito de alimentaci�n. Para la realizaci�n de tales circuitos de

acondicionamiento se caracterizaron los sensores y actuadores

piezoel�ctricos. Las se�ales de tensi�n y corriente son adquiridas

y mediante una tarjeta de adquisici�n de datos y visualizadas en

el computador (PC). El modelo funcional permite obtener datos

experimentales de una tuber�a piezoactuada a nivel de

laboratorio,

êndicesÑAcondicionamiento de se�ales, adquisici�n de datos,

actuadores piezoel�ctricos, sensores piezoel�ctricos.

I. INTRODUCCIîN

as tuber�as usadas para el transporte de fluidos tales como gas, el petr�leo y sus derivados, requieren ser constantemente monitorizadas con el fin de conocer su

estado de salud estructural. Las empresas encargadas de su operaci�n actualmente no disponen de herramientas de inspecci�n, que combinen las dos caracter�sticas m�s importantes; alto desempe�o y econom�a. Actualmente las labores de inspecci�n se realizan en el mejor de los casos solo una vez al a�o, debido al elevado costo de adquisici�n y/o contrataci�n de las herramientas que sean confiables para esta labor.

El anterior problema ha motivado a investigadores de la UIS a buscar una posible soluci�n, que consiste en disponer de una herramienta capaz de evaluar deformaciones en un gasoducto basada en vibraciones mec�nicas inducidas y sensadas a lo largo de este usando herramientas computacionales para el procesamiento y razonamiento [1]-[3]. Para el desarrollo de tal herramienta, se requiere inicialmente validarla a nivel de laboratorio, por lo que en el presente art�culo se muestra detalladamente el modelo electr�nico de actuaci�n y sensado, desarrollado para tal prop�sito.

Este trabajo fue apoyado en parte la Vicerector�a de investigaciones de la

UIS a trav�s del proyecto DIEF 5550. R. Villamizar es profesor de la Escuela de Ingenier�a El�ctrica, Electr�nica

y de Telecomunicaciones de la Universidad Industrial de Santander y miembro del grupo de investigaci�n CEMOS (e-mail:rovillam@uis.edu.co).

J. L. Quiroga y W.A. Barajas son ingeniero electr�nicos UIS y miembros del grupo de investigaci�n CEMOS.

II. DEFINICIîN DEL PROBLEMA

En la actualidad no se cuenta con una herramienta que integre el uso de piezoel�ctricos (en modos de actuador y sensor) con un sistema de adquisici�n de prop�sito general, a nivel de laboratorio con la capacidad de piezoactuar y adquirir las vibraciones resultantes a lo largo del objeto piezoactuado.

Por tal raz�n se dise�� y construy� un modelo funcional a nivel de laboratorio, que integra el uso de materiales piezoel�ctricos, operando uno en modo de actuador y los dem�s en modo de sensores, con hardware propio y comercial para la adquisici�n y almacenamiento de las se�ales sensadas. Este modelo posibilita el desarrollo de pruebas de laboratorio de algoritmos propuestos para la monitorizaci�n de salud estructural basada en la piezoactuaci�n. La principal motivaci�n para el desarrollo de este proyecto fue la disponibilidad comercial de los dispositivos piezoel�ctricos de bajo costo y de hardware de prop�sito general para la adquisici�n y almacenamiento de datos desde PC como lo son las tarjetas NI PCI6025E.

III. EFECTO PIEZOEL�CTRICO

El efecto piezoel�ctrico se debe a la propiedad de ciertos materiales de producir una tensi�n a lo largo de sus ejes cristalogr�ficos cuando se les aplicada una presi�n mec�nica (el efecto piezoel�ctrico directo). Hay un reordenamiento de las cargas internas, tanto positivas como negativas, y por ende produce un potencial el�ctrico. La tensi�n el�ctrica es proporcional a la deformaci�n y depende en gran medida de la direcci�n en que se aplique dicha deformaci�n. El efecto inverso ocurre cuando se aplica un potencial el�ctrico al cristal piezoel�ctrico, este se deforma [4], [5].

Sin embargo los piezoel�ctricos son dispositivos de alta impedancia, por lo que suministran corrientes muy peque�as. Estos dispositivos no tienen una buena respuesta a la aplicaci�n de una fuerza constante, pero su respuesta es adecuada para la medici�n de fuerzas mec�nicas variables. Su respuesta en frecuencia va desde unos pocos Hertz hasta el nivel de Mega Hertz.

En la actualidad se han desarrollado materiales con propiedades mejoradas, como el BaTiO3 y el Zirconato Titanato de Plomo (PZT), los cuales pertenecen al grupo de materiales cer�micos ferro el�ctricos policristalinos [6]-[8].

La respuesta en frecuencia de estos materiales no es plana,

Modelo funcional para la generaci�n y monitorizaci�n de se�ales piezoactuadas

Rodolfo Villamizar, Profesor UIS, John L. Quiroga y Wilson A. Barajas, ingenieros electr�nicos UIS

L

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es decir, hay ciertas frecuencias para las que la transferencia de energ�a el�ctrica-mec�nica es m�xima, y otras en las que es m�nima. En este sentido, el piezoel�ctrico se comporta de manera an�loga a un circuito el�ctrico RLC sometido a una excitaci�n de corriente alterna [9]-[11].

IV. CARACTERIZACIîN DE LOS PIEZOEL�CTRICOS

A. Selecci�n de los piezoel�ctricos

El objetivo inicial fue adquirir piezoel�ctricos comercialmente disponibles, y mediante realizaci�n de pruebas experimentales seleccionar el piezoel�ctrico cuyas caracter�sticas se ajustaran a las condiciones de dise�o del modelo electr�nico. Por tanto, los piezoel�ctricos utilizados, tanto para la actuaci�n como para el sensado son del tipo PZT (usados com�nmente en la fabricaci�n de parlantes). Estos dispositivos se caracterizan por su bajo costo, variedad de tama�os, formas de conexi�n y f�cil implementaci�n. En el mercado local Colombiano se encontraron los sensores a al d, presentados en la Figura 1.

Piezo a Piezo b

Piezo c Piezo d

Fig. 1: Piezoel�ctricos disponibles en el mercado local Colombiano.

La Tabla 1, resume las caracteristicas principales de operaci�n de estos dispositivos.

TABLA 1. CARACTERêSTICAS DISPOSITIVOS PIEZOEL�CTRICOS.

PIE

ZO

F. R

eson

anci

a (H

z)

Impe

danc

ia e

n re

sona

ncia

(!

)

Max

. inp

ut v

olta

je

(Vpp

)

Cap

acit

anci

a pF

a

1 H

z

Mat

eria

l

Tem

pera

tura

de

oper

aci�

n (¼

C)

b 3700±500 500 30 20000 ALLOY -30 A 70

c 2500±300 500 30 80000±30% BULK -30 A 70 d 3200 150 30 30000 BULK -30 A 70

Los criterios de selecci�n fueron: mayor amplitud de

voltaje sensado en un rango de frecuencia entre 0 Hz y 2 kHz, mayor rango de respuesta plana, mayor inmunidad al ruido y mayor durabilidad.

B. Caracterizaci�n de los piezoel�ctricos.

Para caracterizar y evaluar el desempe�o de los piezoel�ctricos, se efectuaron barridos en frecuencia desde 0 Hz hasta 2 kHz, para diferentes niveles de tensi�n, sobre el piezoel�ctrico suelto y sujeto a la tuber�a [12]-[13]. Se realizaron los montajes de la Figura 2, y en la Tabla 2 se presentan los principales resultados. Los resultados obtenidos en esta prueba mostraron que el piezoel�ctrico mas adecuado para ser usado en el modelo es el d, dado que la tensi�n sensada para distintos valores de frecuencia se mantuvo m�s uniforme. Los piezoel�ctricos b, c, presentan intervalos de frecuencia en los que no se registr� se�al, adem�s que la se�al de tensi�n sensada para frecuencias por debajo de 1 kHz no manten�a la forma de onda ni la misma frecuencia de la se�al de actuaci�n.

Fig 2. Montajes experimentales utilizados para la caracterizaci�n de los piezoel�ctricos en sus dos modos de operaci�n actuador y sensor.

Fig 3. Respuesta en frecuencia para los piezoel�ctricos b, c y d. [mV] vs [Hz].

Igualmente se sujetaron los piezoel�ctricos a dos tuber�as de un metro de largo de diferente material, acero A36 y aluminio respectivamente, tanto en modo actuador y sensor distanciados 10cm. Estas tuber�as presentan sus modos fundamentales de vibraci�n a bajas frecuencias, por tal raz�n se consider� de inter�s el intervalo de frecuencias entre 0 Hz y

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2 kHz. Las Figuras 4 a 6, presentan las se�ales de actuaci�n

(amarilla) y sensado (azul) obtenidas para los piezoel�ctricos b, c, d, respectivamente. Estos resultados, junto con los obtenidos para otros valores de frecuencia, corroboraron que el piezoel�ctrico que se comporta adecuadamente para esta aplicaci�n, es el d.

Fig 4. Se�al generada (amarilla) y sensada (cyan) para el piezoel�ctrico b.

Fig 5. Se�al generada (amarilla) y sensada (cyan) para el piezoel�ctrico c.

Fig 6. Se�al generada (amarilla) y sensada (cyan) para el piezoel�ctrico d.

Adicionalmente se realizaron pruebas sobre una secci�n de

l�mina de acero plana con el fin de identificar efectos secundarios en la se�al mec�nica inducida por el piezoel�ctrico, debida a la geometr�a del tubo. Se obtuvieron resultados similares a los previamente obtenidos, es decir la se�al sensada con mayor amplitud y menor distorsi�n con

respecto a la se�al actuaci�n fue la de tal sensor. Se midi� la corriente consumida por el piezoactuador variando la frecuencia desde 0 Hz hasta su valor de frecuencia de resonancia 3.2 kHz, con un valor m�ximo de 0.1 A cuando el piezoel�ctrico fue excitado con una tensi�n de 30 Vpp. A esta frecuencia la impedancia del piezoel�ctrico es puramente resistiva 150 !.

Por �ltimo, para el piezoel�ctrico seleccionado se realiz� un barrido en tensi�n para tres valores de frecuencia, observ�ndose que la amplitud de la se�al sensada manten�a un comportamiento lineal con respecto a la tensi�n de entrada en el rango de 0 Hz a 2 kHz.

De las pruebas realizadas se obtuvo la curva caracter�stica de la Figura 7, que relaciona la variaci�n de la amplitud de la tensi�n sensada con el aumento de la frecuencia de excitaci�n.

Fig 7. Curva caracter�stica obtenida para los montajes de la Figura 3.

Para la obtenci�n de esta curva caracter�stica se realiz� un barrido en frecuencia desde los 0 Hz hasta los 2000 Hz, tomando muestras a intervalos de 10 Hz. En dicha curva se observan tres regiones:

La primera de ellas va desde los 120 Hz hasta los 1520 Hz, en esta regi�n la amplitud de la se�al sensada es casi constante lo cual hace que esta regi�n sea adecuada para el sensado de la se�al.

La segunda va desde aproximadamente los 1520 Hz hasta los 2000 Hz, en esta regi�n la amplitud de la se�al sensada varia considerablemente entre los 20 mV y los 366 mV, haciendo que esta regi�n no sea adecuada para el sensado de las se�ales.

La �ltima parte desde los 2000 Hz hasta un valor de frecuencia en donde nuevamente alcanzar�a un valor m�ximo en la tensi�n sensada. Esta regi�n no es de inter�s ya que en este modelo se trabajar� con frecuencias por debajo de los 2000 Hz.

C. Velocidad de respuesta de los piezoel�ctricos

Con el fin de determinar los rangos de voltaje y de frecuencia adecuados para el funcionamiento de los piezo el�ctricos, se realiz� un barrido en frecuencia desde 0 hasta 120 kHz y un barrido en tensi�n desde los 0 V hasta 60 Vp obteniendo los resultados de la Figura 8, en la que observa la relaci�n existente entre la amplitud de voltaje m�xima que se

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puede aplicar al piezoactuador y el m�ximo valor de frecuencia admisible, sin que se presente deformaci�n de la se�al de actuaci�n. Los resultados obtenidos mostraron que el piezoel�ctrico puede ser excitado de forma adecuada para valores de frecuencia entre los 0 Hz y los 60 kHz aproximadamente, con una amplitud m�xima de la se�al de actuaci�n de 55 Vp. Para frecuencias superiores a 60 kHz y menores o iguales a los 109 kHz la amplitud m�nima de la se�al de actuaci�n fue de 23 V aproximadamente. Esto se debe a que ha estas frecuencias se presenta una descompensaci�n entre la resistencia de salida del circuito de actuaci�n y la impedancia del piezoel�ctrico.

Fig 8. Voltaje y frecuencia m�ximos para la se�al de actuaci�n.

D. Identificaci�n param�trica del circuito equivalente RLC

del piezoel�ctrico.

Teniendo en cuenta que la corriente consumida por el piezoactuador a la frecuencia de resonancia (3.2 kHz) es de 0.1 A y que en tal frecuencia la tensi�n aplicada y la corriente est�n en fase (circuito resistivo). Se calcul� el valor del par�metro R del piezoel�ctrico. La se�al de excitaci�n fue una senoidal de amplitud 15 V, y la tensi�n de resonancia registrada mediante un piezosensor es de 14,96 V, valores obtenidos de datos del fabricante y pruebas experimentales.

La Figura 9 muestra la tensi�n de actuaci�n (azul) y la corriente consumida por el piezoel�ctrico (amarilla). Para la obtenci�n de esta grafica se realiz� un barrido en frecuencia desde 0 Hz hasta 3619 Hz. La frecuencia de resonancia del piezoactuador se ubica en 3,2 kHz seg�n lo expresa el fabricante del dispositivo en la hoja de datos caracter�sticos, mientras que el ancho de banda del pico de resonancia obtenido es de 430 Hz. Para ning�n valor de este rango se pudo observar que la tensi�n y la corriente del piezoel�ctrico estuviesen en fase. A partir de estos valores experimentales y mediante las Ecuaciones 1 a 4, se calcularon los par�metros R, L y C.

Fig 9. Ondas de tensi�n (cyan) y corriente (amarillo) en el piezoel�ctrico.

R =VIN

IIN

=50

0, 0202= 150! (1)

Q =F0

BW=3, 2kHz

430Hz= 7, 44 (2)

C =Q

W0

2*C

=7, 44

(2! * 3, 2kHz)(150")= 2, 466µF (3)

L =1

W0

2*C

= 1mH (4)

La funci�n de transferencia del piezoel�ctrico es la presentada en las Ecuaciones 6 y 7.

T (s) =a1s

s2+W0

Qs +W

0

2

(6)

T (s) =a1s

s2+ 2702, 44s + 404258996, 3

(7)

E. Medici�n de la se�al mec�nica vibratoria propagada.

Se realizaron pruebas en una tuber�a de acero A36 de 1 metro de largo con piezosensores colocados a lo largo de la misma y separados una distancia de 10 cent�metros entre sus centros tal como se muestra en la Figura 9. Tales pruebas permitieron determinar en qu� rango de tensi�n, la se�al mec�nica vibratoria inducida por el piezoel�ctrico se propaga en condiciones adecuadas, es decir que mantenga su forma de onda, su frecuencia y que no sea afectada por ruido.

La tuber�a se soport� en tres medios, sobre una superficie plana de madera, sostenida en los extremos por dos apoyos, y suspendida por un hilo de nylon. Esto se hizo con el fin de observar c�mo se comportaba la se�al propagada en la tuber�a. Los resultados experimentales mostraron que las amplitudes de la se�al sensada son mayores cuando el apoyo de la tuber�a es la cuerda de nylon. El apoyo menos favorable fue la superficie plana (mayor atenuaci�n).

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Con la tuber�a apoyada sobre una superficie de madera plana se realizaron las siguientes pruebas.

Inicialmente se sensaron las se�ales de voltaje de los piezosensores que se muestran en la Figura 10, manteniendo una ganancia de 1 en el circuito de sensado, para as� medir la se�al de voltaje generada por cada piezosensor y observar la forma de onda de la misma.

La se�al de excitaci�n fue una senoidal de amplitud 50 V y frecuencia variable de los 0 Hz a los 2 kHz. Para esta prueba se obtuvieron amplitudes de voltaje en el piezosensor entre 50mV y 500 mV aproximadamente (Ver Figura 11).

Fig 10. Esquema del sistema de pruebas implementado.

Se observ� que a bajas frecuencias la se�al se atenu� en un factor de 5000. Es decir el piezoactuador se excit� con 100 Vpp y en el piezosensor colocado junto al actuador se sensaron 20 mVpp.

Adicionalmente se observ� que al desplazar el punto de sensado hacia la derecha de la tuber�a, la amplitud de la se�al sensada fue mayor, excepto en el extremo opuesto a donde se actu�.

V. MODELO FUNCIONAL DE LABORATORIO

El modelo funcional de laboratorio construido permite excitar un piezoactuador instalado en una tuber�a de prueba y sensar la se�al propagada a lo largo de esta mediante piezosensores. Los datos pueden ser almacenados y visualizados desde un PC mediante una tarjeta de adquisici�n de datos DAQ.

Fig 11. Amplitud de la se�al sensada para el esquema de la Figura 12.

El modelo funcional de laboratorio construido se divide en tres m�dulos: Adquisici�n y visualizaci�n, acondicionamiento actuaci�n y acondicionamiento sensado. Los m�dulos de

acondicionamiento de actuaci�n y sensado se realizan a trav�s de estas etapas: aislamiento, amplificaci�n, filtrado, acople de impedancias [14]-[17]. Para el dise�o general de los m�dulos de acondicionamiento se tom� como referencia la Tabla 2.

TABLA 2. PARçMETROS DE OPERACIîN DEL SISTEMA. TIPO DE ONDA A1SEN("1T)*A2SEN("2T) FRECUENCIA 1 HZ A 3 KHZ

AMPLITUD DE LA SE�AL DE ACTUACIîN 10 VP A 60 VP AMPLITUD MçXIMA DAQ 10 VP

PRECISIîN DEL DAQ 4,88 MV

A. M�dulo 1. Adquisici�n y visualizaci�n

El m�dulo de visualizaci�n y adquisici�n de datos se encarga de procesar las se�ales de actuaci�n y sensado en el PC. La herramienta computacional utilizada tanto para la programaci�n de la se�al de actuaci�n como para la adquisici�n de las se�ales sensadas fue, Simulink de Matlab.

Las se�ales se adquirieron en tiempo real, a trav�s de la tarjeta de adquisici�n de datos 6025E de NI. Se utilizaron los bloques ANALOG INPUT y ANALOG OUTPUT (Entrada Anal�gica y Salida Anal�gica) que son los encargados de recibir y enviar datos desde el PC desde y hacia la tarjeta por puerto PCI [18].

La se�al programada desde el PC es la presentada en la figura 12, que luego de ser acondicionada en los niveles de tensi�n y de corriente apropiados se aplic� a un piezoel�ctrico utilizado como actuador. La se�al generada corresponde a una perturbaci�n mec�nica peri�dica, resultado del producto de dos se�ales senoidales a diferentes frecuencias. El tiempo de duraci�n de la se�al es igual al periodo de la se�al con menor frecuencia, envi�ndose as� una ventana de la se�al. Sin embargo el ancho del pulso y su amplitud, pueden ser ajustados por el usuario, si lo requiere para otro tipo de pruebas.

Fig 12. Se�al vibratoria peri�dica programada.

B. M�dulo 2. Acondicionamiento de la etapa de Actuaci�n.

El m�dulo de actuaci�n tiene como fin acondicionar la se�al generada desde PC, a los niveles de tensi�n y corrientes adecuados para la se�al de actuaci�n (60 Vp m�ximo). La se�al generada desde PC es entregada en los niveles de voltaje y corriente admisibles por la tarjeta de adquisici�n de

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datos (±10 Vp m�ximo). Este se compone de las etapas de aislamiento, amplificaci�n y seguidor de tensi�n.

Etapa Aislamiento.

La etapa de aislamiento consiste en un amplificador y un conversor de voltaje DC/DC aislados individualmente. El amplificador seleccionado fue el iso124 con una tensi�n de alimentaci�n de ±10 V. Este dispositivo a�sla la se�al de entrada de la de salida. Algunas caracter�sticas principales de este dispositivo son presentas en la Tabla 3.

TABLA 3. CARACTERêSTICAS PRINCIPALES ISO 124.

Caracter�stica Valor

Ancho de banda 50 kHz Voltaje de alimentaci�n ±4.5 V a ±18 V

Quescent currents ±5 mA en Vs1 y ±5.5 mA en Vs2 Voltaje m�ximo aislado 1500 Vrms

El conversor DC/DC aislado DCP0115DBP alimenta el ISO 124P a un voltaje de ± 10 V, tanto a la entrada, que es donde se conecta la tarjeta de adquisici�n, como a la salida.

Etapa de Amplificaci�n.

Dado que la tarjeta de adquisici�n de datos entrega como m�ximo ±10 Vp, insuficientes para excitar el piezoactuador, se implement� una conFiguraci�n de amplificador que permiti� alcanzar los niveles de voltajes requeridos en la se�al de actuaci�n, para que las distancias de propagaci�n sobre la tuber�a de prueba sean mayores.

La configuraci�n seleccionada fue el amplificador tipo puente, com�nmente utilizada en etapas de potencia [19], presentada en la Figura 13.

Fig 13. Amplificador puente *Fuente: [19] modificada por el autor.

Para implementar el amplificador puente se seleccion� el OPA445AP de Texas instruments. El funcionamiento del amplificador puente consiste en aplicar una misma se�al de forma simult�nea a dos amplificadores, conectados en conFiguraci�n inversora y no inversora, obteniendo a la salida la diferencia de tensi�n amplificada por cada OPAM.

La magnitud de la se�al ingresada al amplificador puente es de hasta 10 Vp, proveniente del amplificador de aislamiento, y la magnitud de la se�al diferencial de salida es de hasta 70 Vp a una corriente m�xima de 120 mA y en un rango de frecuencias de 0 a 2 kHz.

La Figura 14 muestra el voltaje de salida de cada amplificador que conforma el circuito puente y la salida

diferencial que es de mayor magnitud es la que se aplica al piezoactuador a trav�s de un circuito de acoplamiento de impedancia. Se debe tener en cuenta que el amplificador OPA445 tiene un ancho de banda de 70 kHz para una ganancia de lazo abierto de 110dB.

Fig 14. Salida diferencial del amplificador puente cuando se aplica el producto de dos senoidales a diferente frecuencia.

Etapa de Seguidor de tensi�n

Los piezoactuadores son manipulados de forma directa por el usuario, por tal raz�n se requiere de una etapa de aislamiento entre el modulo de actuaci�n y el piezoactuador. La configuraci�n utilizada para brindar esta protecci�n es el amplificador seguidor de tensi�n, que tiene una gran impedancia de entrada y una impedancia de salida m�nima [19].

C. M�dulo 3. Acondicionamiento Sensado

La se�al de voltaje obtenida del sensor piezoel�ctrico es acondicionada a trav�s del modulo de sensado, que es el responsable de entregar esta se�al a la tarjeta de adquisici�n de datos para luego ser almacenados y visualizados en el PC. Este m�dulo de sensado consta de las etapas de acoplamiento de impedancias, amplificaci�n, aislamiento y filtrado.

Etapa1 Acoplamiento de impedancias.

La impedancia de salida del transductor PZT es alta, por lo que se debi� acoplar mediante una configuraci�n con una impedancia de entrada equivalente para transferir toda la tensi�n generada por el piezoel�ctrico.

Etapa2 Amplificaci�n.

Para amplificar la se�al de sensado se utiliz� el INA 128AP por su alta capacidad de rechazo a la se�al de modo com�n, su velocidad de respuesta y el muy bajo consumo de potencia en estado de reposo. Adicionalmente el dispositivo cuenta con etapas de protecci�n a sobretensiones de hasta ± 40 V en sus entradas y por las diversas aplicaciones en las que se puede emplear afines a las desarrolladas en la aplicaci�n implementada.

El amplificador de instrumentaci�n acondicion� la se�al recibida a un valor de tensi�n mayor, de tal manera que se observa una gran diferencia entre el voltaje m�ximo de la se�al y la resoluci�n del DAQ, permitiendo as� que la se�al almacenada en el computador sea lo m�s parecida a la se�al

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real. La ganancia del amplificador puede ser ajustada variando RG de acuerdo a la Ecuaci�n 8.

G = 1+50k!

RG

(8)

Etapa3 Filtrado.

Debido a que la se�al generada por los transductores es de amplitud peque�a, �sta se ve fuertemente afectada por la componente de frecuencia de 60 Hz. Por tanto se implement� un filtro NOTCH, a fin de eliminar el efecto de dicha componente, sin afectar las componentes de frecuencias cercanas a los 60 Hz. La respuesta de este ante una excitaci�n de 10 V de amplitud y 60 Hz se observa en la Figura 15. A esta frecuencia la atenuaci�n presentada por el filtro es de aproximadamente 30db.

Fig 15. Se�al de salida del filtro notch.

Etapa4 Aislamiento.

La se�al entregada por el m�dulo de acondicionamiento de sensado est� en el mismo rango de voltaje que acepta la tarjeta de adquisici�n de datos, sin embargo la monitorizaci�n de se�ales piezoactuadas se realiz� sobre una tuber�a met�lica de prueba, donde existe el riesgo de que una se�al externa pueda energizar el tubo y transferir esta energ�a por medio del circuito a la tarjeta, al PC y los perif�ricos que est�n conectados al mismo, ocasionando da�os a estos equipos, por lo que se requiri� su aislamiento. El dispositivo de aislamiento seleccionado, tanto en el circuito actuador como en el circuito sensor fue el ISO124.

D. Fuente de alimentaci�n.

Para el dise�o de la fuente de voltaje se tuvo en cuenta las especificaciones de alimentaci�n del circuito actuador (±35 V) y el circuito de acondicionamiento de la se�al sensada (±10 V). De igual forma se tuvo en cuenta que los amplificadores de aislamiento deb�an ser alimentados con una fuente aislada.

La fuente de voltaje implementada para alimentar las etapas de acondicionamiento tiene una salida m�xima de 35 W a 35 V para el circuito actuador y una de 8 W a 8 V para el circuito sensor. Esta fuente de voltaje dise�ada tiene 5 convertidores de voltaje DC/DC aislados de 1W los que permiten alimentar el amplificador de aislamiento de 4 circuitos de sensado y el amplificador de aislamiento del circuito de actuaci�n. Inicialmente se construyeron dos (2) circuitos de sensado.

VI. RESULTADOS FINALES.

El modelo funcional construido opera bajo los siguientes par�metros: La se�al programada desde el PC debe tener una amplitud m�xima de 5 Vp, para evitar la saturaci�n en el m�dulo de actuaci�n. Esto permite obtener a la salida una se�al con amplitud m�xima de 70 Vp.

El m�dulo de sensado puede trabajar con dos valores de ganancia diferentes. La ganancia del amplificador de instrumentaci�n es ajustada mediante dos resistencias en serie colocadas entre los terminales 1 y 8 del mismo, para evitar saturaci�n y/o distorsi�n arm�nica en la se�al sensada.

Para observar el funcionamiento del modelo electr�nico de laboratorio se gener� una se�al de 0.55 V con una frecuencia de 100 Hz obteni�ndose el resultado que se muestra en la Figura 16. La se�al de color rojo corresponde a la se�al que es programada en PC y que luego es acondicionada hasta un voltaje m�ximo de 58 Vp para actuar sobre el piezoel�ctrico colocado sobre la tuber�a de prueba, que realiza la funci�n de actuador, mientras que la se�al de color azul corresponde a la se�al sensada por un piezoel�ctrico en modo sensor.

Fig 16. Pruebas modelo electr�nico de laboratorio. Rojo:se�al programada, azul: se�al sensada.

Igualmente se gener� desde el PC una se�al de actuaci�n de amplitud 0.3 Vp a 40 Hz y se observ� en la se�al sensada una leve distorsi�n debida a la componente de 60 Hz. Con el fin de eliminar este efecto se implement� un filtro digital tipo Notch de octavo orden, colocado en cascada con la terminal de entrada de la tarjeta de adquisici�n de datos.

VII. CONCLUSIONES.

En las pruebas de caracterizaci�n de los piezoel�ctricos se observ� que el sensado de las se�ales es fuertemente afectado por una componente de ruido a 60 Hz con un valor de tensi�n mucho m�s alto que el de las se�ales de inter�s. Esta situaci�n oblig� el uso de un filtro NOTCH en esta frecuencia que aten�a 30 dB.

Se debe tener en cuenta que se puede actuar sobre el piezoel�ctrico con una tensi�n m�xima de hasta 60 Vp a una frecuencia m�xima de 60 kHz. Para la realizaci�n de estas pruebas se recomienda adquirir piezoel�ctricos que soporten

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tensiones de excitaci�n altas (50 Vp), con el fin de obtener mayor amplitud en las se�ales sensadas.

Para la presente aplicaci�n las frecuencias de inter�s est�n en el rango de 0 Hz a 2500 Hz, lo que no limit� la amplitud de la se�al de entrada.

En trabajos futuros donde se requiera la utilizaci�n de m�s de cuatro sensores se tendr�n que construir nuevos circuitos de sensado teniendo en cuenta que a estos se debe a�adir los convertidores de DC/DC que la fuente de voltaje ya no tiene disponibles. El circuito del sensor tiene dos opciones de ganancia con el fin de mantener la amplitud de la se�al sensada que ingresa a la DAQ, a un valor menor o igual que 10 Vp.

VIII. REFERENCIAS

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IX. BIOGRAFêAS

John Leonardo Quiroga Pineda naci� el 29 de septiembre de 1985 en Bucaramanga, Colombia. Ingeniero electr�nico (2009) de la escuela de Ingenier�as El�ctrica Electr�nica y de Telecomunicaciones, en la Universidad Industrial de Santander. Sus intereses profesionales se centran en la automatizaci�n. Wilson Arley Barajas Barajas naci� el 1 de mayo de 1984 en Molagavita Santander, Colombia. Ingeniero Electr�nico de la escuela de Ingenier�as El�ctrica, Electr�nica y de Telecomunicaciones, de la Universidad Industrial de Santander (2009). Sus intereses profesionales se centran en la automatizaci�n de procesos e instrumentaci�n electr�nica. Rodolfo Villamizar Mej�a. Ingeniero electricista UIS. Bucaramanga, Colombia (1999), Ingeniero electr�nico UIS, Bucaramanga, Colombia (2000). Doctor en Tecnolog�as de la Informaci�n, Universitat de Girona, Girona, Espa�a (2005). Miembro del grupo de investigaci�n CEMOS. çreas de investigaci�n: T�cnicas avanzadas de control, Control supervisorio y soft computing.