Construcción de un analizador acústico con Arduino. La información se presenta de forma gráfica, en un display LCD de 16×2 caracteres. Como ecualizador gráfico se puede utilizar el circuito integrado MSGEQ7 o el MSGEQ5, dependiendo del número de bandas de audio que queramos mostrar. Este circuito se puede montar de forma independiente, previamente programando el ATMEGA328P con la placa de desarrollo de Arduino. Una vez programado, mediante la posición de un jumper se puede configurar para que muestre 5 o 7 bandas… montando previamente el circuito integrado ecualizador correspondiente.
Utilidad de un analizador acústico
Este analizador acústico no puede competir con un equipo profesional, pero podría ser muy útil para acondicionar la acústica de un salón de actos o sala de conciertos improvisada. Comprobando la respuesta en frecuencias y volumen de escucha en diferentes puntos, se podrían corregir los defectos reorientando los altavoces/bocinas, ecualizando la respuesta de los amplificadores, etc. Por otra parte, como este analizador de audio es de bajo costo y no requiere de conocimientos especiales para montarlo, podría ser muy instructivo realizarlo como práctica en escuelas relacionadas con la formación en las ramas de electrónica y tecnología.
Ecualizador gráfico de 5/7 bandas
Este montaje está basado en el circuito integrado MSGEQ5 / MSEGQ7, ecualizador gráfico de audio de 5 y 7 bandas respectivamente. Dentro de un pequeño encapsulado DIL de 8 pines, se encuentra todo lo necesario para obtener a su salida los valores de energía a diferentes frecuencias, a partir de la señal de audio en su entrada (descomposición espectral).
Como se puede ver en la imagen anterior, el MSGEQ5 analiza los valores comprendidos entre 100 y 10.000 Hz. Este rango es más que suficiente para conocer la respuesta en frecuencias de cualquier entorno. Pero si queremos analizar con más detalle los extremos de la zona audible, graves más bajos y agudos más altos, sería mejor utilizar el MSGEQ7.
Como se puede comprobar comparando los datos entre ambos componentes, son compatibles tanto en conexiones como características técnicas. Lo único que cambia es la gestión de los datos, pero el protocolo es el mismo. Con el MSGEQ5 tendremos que tomar y asignar los valores leídos de 5 en 5, y con el MSGEQ7 lo haremos en grupos de 7 (número de bandas). Aprovechando estas características, es muy fácil construir un circuito que permita trabajar con ambos componentes.
Este montaje lo puedes hacer siguiendo el esquema anterior, o utilizando la placa de desarrollo de Arduino junto con el Shield LCD, desarrollado para Arduino UNO.
Escala gráfica
La escala de las barras gráficas que muestra el display no es logarítmica, como lo harían la mayoría de los analizadores de audio. Con el fin de obtener un efecto visual más pronunciado, la gráfica que muestra el display traduce los valores de tensión en cada banda de forma lineal.
Si prefieres cambiar la escala, sólo tienes que modificar los valores de la tabla (resaltadas en color amarillo), editando el código antes de programar el microprocesador ATMEGA328P con Arduino.
Firmware
El código de programación de este analizador acústico, se puede descargar desde el siguiente enlace: Analizador acústico
Construcción de un medidor de humedad, temperatura real y la sensación térmica. Para este montaje voy a utilizar el sensor de temperatura y humedad DHT11, y como controlador utilizaré Arduino. La sensación térmica describe el grado de incomodidad que el ser humano percibe, como resultado de la combinación de la temperatura, humedad y el viento. La humedad, junto con la velocidad del aire hacen que la sensación de frío sea mayor en invierno, y la sensación de calor más intensa en verano.
La temperatura y la sensación térmica
Es habitual que nos fijemos en la temperatura que muestra un termómetro, y rápidamente asociemos el valor que hemos leído con la sensación de frío o calor que vamos a sentir. Sin embargo, la sensación térmica varía en función de otros factores, como son la humedad relativa del aire y su velocidad.
El cuerpo humano intenta mantener su temperatura corporal a un valor constante, alrededor de los 37ºC y la piel es el principal órgano encargado de regular la temperatura:
Cuando aumenta la temperatura del cuerpo, se dilatan los vasos sanguíneos y aumenta el flujo de sangre por la piel, y la piel en contacto con el exterior hace de radiador y se reduce la temperatura. Si el calor es excesivo, se abren los poros y se comienza a sudar. El sudor es un método de enfriamiento muy efectivo, porque su evaporación provoca un enfriamiento mucho más rápido.
Cuando el cuerpo se enfría, los vasos sanguíneos se contraen y el flujo sanguíneo se reduce. Los músculos son estimulados para generar más calor, pudiendo llegar a provocar temblores involuntarios. Así el cuerpo puede aumentar su temperatura rápidamente en caso de necesidad.
En definitiva, la piel humana es el sensor que detecta las diferencias de temperatura entre el cuerpo y el ambiente, para reaccionar en consecuencia. Si tenemos en cuenta que la temperatura de la piel se mantiene alrededor de los 32ºC, la sensación térmica variará de forma más brusca, cuando más nos alejemos de dicho valor y dependerá de la humedad y velocidad del aire exterior.
La sensación térmica describe el grado de incomodidad que el ser humano percibe, como resultado de la combinación de la temperatura, humedad y el viento. La humedad, junto con la velocidad del aire hacen que la sensación de frío sea mayor en invierno, y la sensación de calor más intensa en verano.
La humedad en verano y en invierno
En verano, con temperaturas altas, un exceso de humedad en el ambiente impide que el sudor se evapore de forma eficiente, provocando una sensación de calor más alta.
En invierno, con temperaturas bajas, un exceso de humedad en el ambiente provoca una hidratación mayor de la piel, condensando partículas de agua en la superficie como si fuera sudor, y su evaporación provoca una sensación de frío mayor que la que muestra el termómetro
Si queremos saber el grado de frío o calor, sobre todo en las regiones de climas húmedos, es mucho más útil conocer la sensación térmica que la temperatura. La humedad relativa del aire, representada con las siglas HR o la letra griega Φ (fi), es la concentración de vapor de agua en el aire.
Una vez corregido el valor de temperatura con la sensación térmica debido a la humedad, si además hay viento con una velocidad superior a 12,5 km/h, habría que aplicar al valor obtenido una nueva corrección.
La corrección con el viento es mucho menor que la provocada por la humedad. Como se puede ver en la gráfica anterior, la sensación de calor aumenta a partir de 34ºC y también disminuye a partir de ese mismo valor.
Medir la sensación térmica
La construcción de un medidor que muestre el valor de la sensación térmica, es sencilla y de bajo costo. Con Arduino el código de programación es muy corto, y además las fórmulas de corrección ya están incluidas dentro de las librerías del sensor DHTxx. Para este montaje utilicé el sensor DHT11, pero si se requiere una mayor precisión, es mejor utilizar el DHT22. El controlador de este medidor está hecho con Arduino, y la presentación de los valores se muestra en un display LCD de 2×16 caracteres. Todo el conjunto se podría fabricar sin tener que soldar ningún componente, utilizando un Arduino UNO junto con su ‘Shield LCD‘. El sensor de temperatura/humedad se puede conectar con terminales de conexión en la tarjeta Arduino, porque el sensor DHT11 se puede comprar montado en una pequeña placa PCB, en la que lleva montada una resistencia Pull-Up y el condensador de desacoplo para la alimentación. La alimentación de todo el conjunto es de 5 VDC, por lo que se podría utilizar cualquier cargador USB que tengamos en casa.
También puedes optar por hacer un montaje independiente, sin la placa de desarrollo de Arduino. Así te saldrá todo más barato y su tamaño será menor:
Firmware (v1)
El código de programación de este medidor, junto con la librería de control necesaria para el sensor DHTxx, se puede descargar desde el siguiente enlace: Temperatura y humedad
El medidor de temperatura y humedad lo puedes montar dentro de en una pequeña caja de plástico (100 x 60 x 25 mm), incluyendo dentro su propia fuente conmutada de 5VDC. Los detalles de este montaje, los puedes ver en el siguiente video:
Sensación y conductividad térmica
¿Por qué tiene tan mala respuesta a la temperatura el sensor DHT11?. El problema es que el sensor de temperatura DHT11 está encerrado dentro de una jaula de plástico, por lo que su conductividad térmica entre el exterior y el sensor es mala, y esto provoca que su tiempo de respuesta sea lento. Para corregir este fallo, he montado un segundo sensor de temperatura en el termómetro. He utilizado el sensor DS18B20 con encapsulado metálico para medir la temperatura, dejando el sensor DHT11 para medir la humedad y calcular la sensación térmica.
Tiempo de respuesta de un sensor
La respuesta en el tiempo de un sensor de temperatura depende de la conductividad térmica del material utilizado entre el elemento a medir (aire, líquido) y el sensor de temperatura. Como norma general, los materiales mas conductivos eléctricamente, también lo son térmicamente.
Utilizar un sensor de temperatura con encapsulado metálico, es una buena elección cuando se necesita obtener una respuesta rápida en la medida.
Aunque esto no siempre es imprescindible y hay veces que es mejor utilizar un sensor de respuesta más lenta, con el fin de mostrar la temperatura ambiente y evitar que se muestren cambios bruscos debido a una corriente de aire frío o caliente ocasional.
El sensor de temperatura y humedad DHT11 es de respuesta lenta y muy válido para mostrar la temperatura en zonas abiertas, pero no es el más adecuado para medir valores en recintos pequeños (sauna, cámara frigorífica, caldera).
¿Es útil el montaje anterior?
Dependiendo del uso que le quieres dar al medidor de temperatura ambiente, tendrás que elegir el sensor de temperatura que mejor se adapte al entorno. Si quieres mostrar la temperatura en un espacio abierto, el montaje anterior te podría servir. Pero si lo quieres para hacer medidas rápidas, o para mostrar los valores dentro de en un recinto pequeño, es aconsejable añadir al esquema anterior un segundo sensor de temperatura con encapsulado metálico.
Firmware (v2)
El código de programación del medidor con doble sensor, se puede descargar desde el siguiente enlace:Temperatura y humedad (v2)
Ganancia y respuesta en frecuencias del módulo XH-M164 de ICStation. Este módulo es un preamplificador ecualizado estéreo, y está basado en el circuito integrado NE5532. Las medidas se realizan utilizando un equipamiento que está al alcance de cualquier aficionado a la electrónica. Se utiliza un teléfono móvil con una APP, que lo convierte en un generador de frecuencias. Para medir los niveles de salida se podría utilizar cualquier polímetro convencional, ya que las señales a medir son de baja frecuencia y sinusoidales. Si se utiliza un osciloscopio, es importante convertir las señales de pico a RMS. Si el osciloscopio permite mostrar la medidas RMS en pantalla, las medidas serán más rápidas, pero el resultado será el mismo que si se hicieran con un polímetro.
Preamplificador ecualizado estéreo XH-M164
El módulo XH-M164 es un preamplificador de audio estéreo, con 3 controles de tono (graves, medios, agudos) y otro más para regular el nivel de salida. Este preamplificador utiliza 2 circuitos integrados NE5532 (operacionales) y se alimenta con una tensión simétrica de 12 VDC.
El módulo dispone de su propio rectificador y de los dos reguladores de tensión, necesarios para obtener las dos tensiones estabilizadas de +12 y -12 VDC. De esta forma, el módulo XH-M164 puede alimentarse con un simple transformador de alterna que disponga de dos devanados, con una tensión de salida comprendida entre 9 y 15 VAC. En la imagen anterior, el fabricante apunta una tensión comprendida entre 12 y 24 VAC, pero no conviene subir de 15V.
Con tensiones más altas, se produce una mayor disipación (calor) en los reguladores de tensión… y a partir de 9 VAC el módulo ya funciona.
Sistema de medidas
No siempre es imprescindible disponer de un equipamiento costoso, para realizar medidas en equipos electrónicos. El sistema de medidas que he utilizado para comprobar la respuesta en frecuencias de este módulo ecualizador de audio es muy simple.
Como medidor se puede utilizar un osciloscopio o un polímetro, y como generador de audio un Smartphone (teléfono móvil)… convertido en un generador de señales de audio, mediante la instalación de una APP.
Respuesta Amplitud/Frecuencia
Para obtener la curva de respuesta de cada filtro (control de tono), es necesario tomar varias medidas, modificando la frecuencia y la posición de cada control de tono. Una vez tomadas las medidas, ya se pueden representar en modo gráfico. El proceso es ir anotando los valores de las frecuencias a las que hemos hecho las medidas en uno de los ejes, lo normal es utilizar el eje X para las frecuencias, y asociar los valores de tensión RMS medidos en el otro eje (Y) para marcar el punto de cruce entre ambos ejes. Cuanto mayor sea el número de muestras que hayamos tomado, mejor resolución obtendremos al unir los puntos para obtener la curva de respuesta.
Una vez obtenidos los valores en tensión RMS en cada punto, podemos convertir la escala de ganancia lineal, a otra logarítmica y más acorde con la sensación acústica que apreciamos cuando cambia el nivel.
La representación de las curvas de respuesta se suelen mostrar utilizando valores logarítmicos (decibelios), ya que se asemejan más esos cambios de nivel sonoro a la respuesta del oído humano. Para convertir los voltios RMS a decibelios, aplicamos la siguiente fórmula:
dB = 20 x log (V2/V1)
V1: voltios RMS de salida, con todos los controles de tono al mínimo (referencia)
V2: voltios RMS de salida, con el control de tono que medimos al máximo
Respuesta de un filtro de RED, frente a las principales frecuencias armónicas que se producen al conectar cargas no lineales a la red eléctrica. Análisis del funcionamiento de un filtro de RED y medidas de su respuesta en frecuencias utilizando métodos muy sencillos.
Armónicos en la RED eléctrica
Los armónicos en la corriente se propagan por las redes eléctricas y crean distorsiones en la forma de onda de tensión, senoidal de origen, modificando las impedancias de las líneas, y pudiendo provocar el mal funcionamiento de algunos equipos eléctricos.
Las corrientes armónicas son componentes de la corriente eléctrica, descompuesta en la serie de Fourier. Los armónicos tienen una frecuencia que es múltiplo de la frecuencia fundamental, múltiplos de 50 ó 60 Hz en las redes eléctricas. El número múltiplo (n) de la frecuencia fundamental, determina el rango de la componente armónica. Por ejemplo, el tercer armónico de una red eléctrica de 50 Hz será 50 x 3 = 150 Hz.
Los armónicos se clasifican según su amplitud, indicada en % con respecto a la fundamental, y su paridad par o impar. Los armónicos de rango par no tienen relevancia en los entornos industriales, porque se anulan gracias a la simetría de la señal alterna. En líneas trifásicas, las corrientes de armónicos de rango 3 y sus múltiplos están en fase (ver imagen anterior) y se suman de forma vectorial en el hilo del neutro, pudiendo provocar un excesivo calentamiento en dicho conductor.
Filtros de red
En la mayoría de los dispositivos modernos que van conectados a la red eléctrica, lo primero que se encuentra después del cable de alimentación es un filtro de red. Los filtros de red son filtros ‘paso-bajo’, y normalmente son circuitos pasivos compuestos por una serie de bobinas y condensadores.
Un filtro de red podría ir alojado dentro del propio conector de alimentación, intercalado entre el cable y la alimentación al equipo (electrodomésticos), o formando parte de la propia fuente de alimentación del equipo (fuentes conmutadas).
El objetivo principal de un filtro de red, es la de minimizar el nivel de radiaciones electromagnéticas (EMI) producidas por los equipos. La mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas que incorporan los dispositivos modernos, incorporan un filtro de red en su entrada.
¿Se eliminan los armónicos con un filtro de red?
Es posible que esta pregunta te la hayas hecho alguna vez, porque los fabricantes no lo dejan muy claro, ni muestran la respuesta en frecuencias de un filtro de red. Para salir de dudas, he realizado estas medidas de respuesta en frecuencia, utilizando un equipamiento muy simple. El equipo de medida es un osciloscopio o polímetro, y el generador de frecuencias un teléfono móvil… convertido en un generador de señales de audio, mediante la instalación de una APP.
Te adelanto que el filtro de red que medí no filtra ni atenúa las señales armónicas. Puedes ver todo el proceso de medida y los resultados en el siguiente video:
Purificación del agua mediante Ósmosis inversa. Calidad del agua según la Organización Mundial de la Salud (OMS). Valores TDS del agua potable en diferentes capitales de Europa. Funcionamiento de un sistema de filtración doméstico por Ósmosis inversa de 5 etapas. Medidas comparativas del valor TDS (proporción de partículas disueltas en el agua) antes y después del filtrado.
¿Qué es la Ósmosis?
La ósmosis está basada en el equilibrio de dos fluidos con diferentes concentraciones de sólidos disueltos (TDS). Cuando se juntan dos fluidos diferentes, con el tiempo tienden a mezclarse. Si ambos líquidos son del mismo volumen pero están separados por una membrana permeable, el fluido de menor concentración es el que atravesará la membrana para mezclarse con el de mayor concentración.
Al cabo de un tiempo se establecerá el equilibrio, quedando el fluido de mayor concentración con más volumen que el de menor concentración. La distancia entre ambas alturas se denomina Presión Osmótica.
Ósmosis Inversa
Si ponemos agua sucia y agua limpia en dos columnas separadas por una membrana permeable, y se aplica una presión superior a la presión osmótica en el fluido del agua sucia, que es el de mayor concentración de sólidos, se producirá el efecto inverso. Pasará por la membrana el líquido del agua sucia, y no sus sólidos disueltos, y subirá el nivel de agua limpia. Este proceso es conocido como Ósmosis Inversa y se utiliza para depurar agua.
Dependiendo del tipo de membrana y concentración de sólidos disueltos, será necesaria una presión mayor o menor para obtener agua potable. Por ejemplo, la presión necesaria para potabilizar el agua de mar es de 60 bar.
Calidad del agua
La Organización Mundial de la Salud (OMS) y otras instituciones que regulan la calidad del agua consideran valores hasta los 500 mg/l como completamente seguros, y hasta 2.000 mg/l como suficientemente seguros para consumir de manera temporal, si no hay otra fuente de agua fácilmente disponible.
ÓSMOSIS INVERSA
Los sistemas de ósmosis inversa requieren de una corriente de agua que lave la membrana de forma tangencial mientras se realiza la filtración. Este lavado evita que la membrana se colapse a causa de los pequeños diámetros que tienen tanto las partículas filtradas como el poro de la membrana.
A la parte descartada se le llama ‘agua de rechazo‘ y puede ser reutilizada por el usuario para otros fines si así lo dispone en su instalación. El usuario de una ósmosis inversa doméstica puede reciclar esta parte de rechazo, conectando a un depósito adicional el tubo que normalmente va al desagüe. La proporción de agua de rechazo frente a la filtrada está determinada por el limitador de caudal (restrictor) que lleva el equipo justo antes de la conexión que va al desagüe. Una proporción aproximada de 4:1 es establecida por el fabricante.
Ósmosis Inversa para el agua potable
El agua que recibimos en nuestro hogar es potable, pero contiene mucha cal y otros elementos nocivos como: cloro, plomo, flúor, herbicidas, calcio, magnesio, mercurio, nitratos… y en algunos casos hasta cianuro. Aunque todos ellos lleguen en bajas concentraciones, no son nada aconsejables para la salud.
Montar un sistema de ósmosis inversa partiendo del agua potable, es la solución más barata para asegurar la calidad del agua que bebemos y mejorar su sabor. Partiendo de agua potable, la presión que se necesita para que el sistema funcione correctamente está comprendida entre 3 y 5 Kg/cm2, dependiendo de la dureza del agua a tratar.
ÓsmosisEste tipo de agua es muy ligera y se elimina con más rapidez que otro tipo de aguas minerales, ayudando así a depurar el organismo, y además facilita el trabajo de filtrado que tienen que hacer los riñones.
Restrictor de desagüe
El control de caudal de agua que va al desagüe lo regula el restrictor, que funciona como una llave de paso medio abierta. La numeración que muestra el restrictor indica los mili litros de caudal de agua por minuto. El valor más bajo que se comercializa es de 300 mili litros por minuto. Dependiendo de la dureza del agua de suministro, se debería elegir un restircor de caudal mayor o menor.
Cuando el valor TDS del agua es alto (aguas duras), es mejor utilizar un restrictor alto. Se perderá más agua, pero la salida del agua osmotizada será más pura y la membrana sufrirá menos. Con aguas más blandas es mejor un restrictor pequeño, porque así desperdicia menos agua. Si el rechazo es insuficiente, la membrana se dañará prematuramente, si es mayor, el desperdicio de agua puede ser excesivo. Se trata de encontrar un equilibrio entre la duración de la membrana y el desperdicio. La proporción citada puede variar en función de la salinidad, la temperatura, el desgaste de la membrana y la presión.
Filtro de ósmosis inversa
Los filtros de membrana de ósmosis inversa se catalogan por la cantidad de Galones de agua que pueden suministrar en un día (Galones por día = GPD). El valor que se suele instalar de origen en los equipos de ósmosis inversa, es de 50 GPD.
1 Galón = 3,78541 litros
Dependiendo de la calidad del agua de suministro, la calidad que queremos obtener a la salida y de los litros de producción, tendremos que elegir el tipo de membrana a instalar.
Manómetro
El manómetro se instala a la entrada del filtro de ósmosis inversa, después de la válvula de cierre. Cuando la válvula está abierta el equipo está funcionando, y el manómetro indica la presión de trabajo.
Si el depósito está lleno, la válvula se cierra y el manómetro se debe poner a cero. Si el manómetro nunca se pusiera a cero. nos indicaría que existe una fuga en el circuito. Estas indicaciones convierten al manómetro como imprescindible, pues nos da a conocer cómo está funcionando equipo.
En las zonas donde el agua es blanda, con la presión del suministro que llega a las casas es suficiente para que funcione un equipo de Ósmosis inversa. Con aguas duras, o cuando la presión del suministro sea baja, intercalando una pequeña bomba de presión se soluciona el problema.
Depósito de agua
Los sistemas de ósmosis inversa producen agua con un caudal muy reducido. Por ese motivo es necesario intercalar un pequeño depósito de agua en la instalación, con el fin de disponer de una cierta cantidad de agua cada vez que abrimos el grifo. Cuando el equipo de ósmosis inversa no dispone de una pequeña bomba eléctrica para extraer el agua del depósito, se tiene que utilizar un depósito presurizado.
Estos depósitos en su interior disponen de 2 cámaras, separadas por una membrana elástica. En la parte superior es donde se almacenará el agua, y la cámara inferior tiene aire a presión. La presión del aire con el depósito vacío (sin agua en el tanque) es de alrededor de 0,5 bar. Esta presión irá subiendo a medida que se llene el depósito de agua. Cuando el depósito está lleno, la presión en la cámara de aire debería ser la misma que la del agua de suministro.
