Sensor de Nivel de Agua mediante el LM741

La medición del nivel de agua por medio electrónicos suele utilizar como sensor un dipositivo flotante, o boya, en el cual su posición revela el nivel proporcional del agua. Este método no solo se utiliza para medir el agua, sino también para mediciones de prácticamente cualquier clase de líquido, y esta brinda información muy precisa (usualmente analógica). También existe otra clase de sensores, como los sensores de humedad, que permiten conocer mediante el valor de resistencia y de flujo de corriente el nivel de agua o líquido presente en el sensor.

El LM741 es un amplificador operacional (op amp) de uso común. Además de ser utilizados como "amplificadores", como las amplifcadores operacionales tienen la propiedad de que, en cierta configuración, pueden ser utilizados como comparadores de voltaje, ya sea para verificar si un voltaje es mayor o menor a un voltaje de referencia alimentado a una de sus terminales. En este tutorial se muestre como utilzar esta propiedad de los op amps para producir medición digital del nivel de agua. La imágen a continuación presenta el símbolo esquemático de un op amp.

Figura 1: Símbolo esquemático de un op amp en donde (1) entrada inversora, (2) entrada no inversora, y (3) salida.

El LM741 es un circuito integrado de 8 pines, pero por motivos de claridad, en la mayoría de los esquemas solo se presenta el símbolo mostrado anteriormente. Este tutorial supone conocimiento de la teoría básica de los amplificadores operacionales, por lo que no se entrará en detalle sobre el funcionamiento de cada una de las terminales. Si no tiene conociemiento, o desea repasar este tema, en internet hay amplia literatura sobre estos. Aquí solo se tratará exclusivamente de la propiedad de comparación de voltajes que poseen.

Para hacer de un amplificador operacional un comparador, no es necesario un circuito de retroalimentación o un sistema complejo. Solo se alimentan los voltajes a ser comparados a las entradas (inversora o no inversora). En los esquemas, la terminal inversora es representada por el símbolo de resta "-" y la terminal no inversora es representada por el símbolo de suma "+". La salida del op amp son entonces dos posibles niveles de voltajes, que representa si el voltaje en una terminal es mayor o menor a otra. Cuando el voltage en la terminal no inversora (V+) es mayor que el voltage en la terminal inversora (V-), es decir V+ > V-, la salida del op amp será un voltaje alto el cual puede ser considerado como un 1 lógico. Cuando el voltaje en la terminal inversora (V-) es mayor al voltaje en la terminal no inversora (V+), es decir V- > V+, la salida del op amp es un voltaje mínusculo, usualmente en el rango de los milivoltios, el cual puede ser considerado como un 0 lógico.

Para crear el sistema del sensor se colocará un voltaje minúsculo constante en una de las terminales del op amp. En la otra terminal se colocará los sensores, que no son más que un par de cables, uno conectado a la fuente de alimentación, y el otro a la otra terminal. La teoría entonces es sencilla, y se explica a continuación:

Como ya se mencionó, en una de las terminales se estará suministrando un voltaje constante, usualmente en el rango de los microvoltios (uV). En la otra terminal esta conectado un cable al aire, es decir, un lado está conectado a la terminal, y el otro se encuentra suelto, por ese motivo en esa terminal no hay teóricamente voltaje. Por ende, el voltaje de referencia de microvoltios alimentado a una de las terminales siempre será mayor al de la terminal que tiene el cable conectado al aire. Ahora, como se mencionó antes, el sensor está compuesto de dos cables: uno conectado a la terminal del op amp (como ya se explicó), y otro conectado a la fuente de alimentación y al aire también, es decir, un extremo del cable está conectado al polo positivo de la fuente, y el otro se encuentra conectado al aire, es decir desconectado. Ambos pares de cables, el del op amp y de la fuente, se colocan al mismo nivel pero distanciados un poco el uno del otro para que no haya contacto. Cuando ambos son introducidos al agua, se forma un conductor que alimentará un voltaje a la terminal que antes no tenía. Este voltaje será mayor al de referencia, y por ende el estado de salida del op amp cambia. Estos cambios es lo que señala la presencia de agua o no en los sensores, y por ende se crea un sistema de lectura de nivel de agua digital. El siguiente esquema muestra la primera parte del sensor.

Figura 2: Circuito del sensor

Si se observa bien, el voltaje de referencia se está alimentando a la terminal no inverora. Si recordamos, cuando el voltaje en V+ > V-, la salida es alta. Eso significa que, mientras no haya agua en el sensor, la salida del op amp será alta. ¿Por què no conectar entonces el voltaje de referencia, suministrado por el divisor de voltaje, a la terminal inversora? Mediante experimentación he notado que la terminal inversora, en el LM741 es más sensible que la terminal no inversora. Además, por la circuitería consiguiente que se le agrega, y que se explica en breve, el sistema es más eficiente. La siguiente parte del plan es entonces invertir ese resultado para que cuando el sensor detecte agua, su salida sea alta.

Fuente: http://www.ieeeulatina.org/info/tutorial.php?tut=sensoragua

Gerald Soto, EES.

http://gerald-ees.blogspot.com/