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Aislamiento galvánico para equipos de medida sumergidos.

Ya son bastantes las personas que me han consultado sobre ciertos problemas que aparecen al construir equipos electrónicos que usan sondas sumergidas.

Yo en CAO1 tuve muchos problemas con el sensor de temperatura DS18B20 hasta lograr aislarlo totalmente. El aislamiento eléctrico con el agua cuando usaba esta sonda debía de ser perfecto y por suerte lo conseguí. En el caso de las sondas de pH, conductímetros y sondas de potencial redox, etc., son sondas que siempre tienen contacto eléctrico con el agua.

Lo que he observado, es que cuando usaba el medidor de pH  que hice con Arduino y que estaba alimentado con pilas, todo funcionaba bien, pero en otros casos no siempre.

El diseño de CAO1 lo mezcla todo en un mismo equipo y cada vez estoy más convencido de que eso es una mala idea.

Yo actualmente, por varios motivos, trabajo en una nueva línea de proyectos que he denominado CaoBT donde el interfaz sería un terminal Android comunicado con Bluetooth y lo que me interesa comentar es que pienso hacer pequeños controladores especializados en lugar de controladores monolíticos. Alguno pensará que es un paso atrás, pero no es una decisión caprichosa.

Si alguien me pidiera integrar el máximo de funcionalidades en un proyecto de controlador de acuario, lo que intentaría evitar, siempre que se pueda, sería integrar las funciones que usan sensores sumergidos y las funciones que manejan dispositivos con potencia.

Me refiero especialmente a los sensores depH, porque están sumergidos, no pueden ser aislados porque intercambian iones a través de una membrana semipermeable y  manejan señales de milivoltios. Son demasiados sensibles a la falta de aislamiento en cualquier parte del equipo.

Las fuentes de alimentación para potencias importantes, no tienen buen aislamiento salvo que sean fuentes muy caras y especializadas. Para circuitos de baja potencia conseguir un buen aislamiento es más sencillo y barato

El tema de sensores, puede requerir alguna relación con actuadores que manejen cierta potencia y también habrá que tener cuidado con ellos.

Aislamiento en transformadores de las fuentes de alimentación

TransformadorEl principal problema ocurre en los transformadores de alimentación. La mayoría de ellos tienen bobinados que están muy próximos para así evitar pérdidas y aumentar el rendimiento, pero eso conlleva un efecto capacitivo que permite, que aunque la corriente contínua no pueda pasar desde la red eléctrica a los circuitos alimentados por un trasformador, con la corriente alterna no ocurra lo mismo.
El efecto capacitivo puede ser más o menos grande y permitirá que una pequeña parte de la corriente si pueda atravesar el transformador y cerrar el circuito con tierra.

Esto para la mayoría de las aplicaciones no tiene importancia, pero son suficientes para fastidiar las medidas de ciertos sensores sumergidos.

Los bobinados primario y secundario pueden estar más o menos separados, tal y como se aprecia en la imagen siguiente, (un bobinado está arriba y el otro abajo), con lo cual el aislamiento no será perfecto pero algo es algo.

Transformador Bobinados separados.

Yo en mi acuario de 150L donde tengo instalado un Arduino con Leds dimeados, cuando meto una de las puntas del polímetro en mi acuario y toco con los dedos la otra punta, obtengo una lectura de 3v de corriente alterna cuando la iluminacion está apagada. Cuando la iluminación está encendida mido algo más 3.5v.

La medida de la intensidad que circula a través de mi cuerpo es tan baja que el polímetro marca cero incluso en la escala de los microamperios.  Se trata de una micro derivación que no logra hacer saltar el diferencial porque es muy pequeñña.

Es decir, se cierra el circuito con tierra a través de mi cuerpo. Esto ocurre pese a usar calzado con suelas de goma. Hay un retorno a tierra de muy baja intensidad, pero el voltaje que se detecta es en este caso de unos 3 voltios. Es evidente que algo así no puede ir bien para un instrumento de medida que mide milivoltios en un electrodo sumergido.

Otras estrategias

Las estrategias pueden ser muy variadas. Algunas veces se opta por aislar en otro punto de este circuito de derivación. Por ejemplo se puede actuar aislando los sensores que usan I2C. mediante circuitos especializados.  pH Mini, Shield for Arduino Mini

En generál existen circuitos que permiten la intercomunicación entre circuitos totalmente aislados y que usan acopladores ópticos. Usarlos es un sistema muy eficaz para separar circuitos pero lógicamente deben usar sistemas de alimentación diferentes y como mínimo el controlador que incluyan sensores sumergidos debe de tener un buen aislamiento de la red eléctrica y de otros circuitos conectados a la red eléctrica.

Conclusiones:

Mi recomendación es que la parte de iluminación y todo lo que requiera cierta potencia se haga  con un Arduino diferente. El Arduino con sensores puede ser alimentado con un alimentador de menos potencia y gracias a ello es más fácil encontrar alguno con un buen nivel de aislamiento.

Creo que las fuentes de alimentación que tienen un aislamiento bastante aceptable son las que se usan con los móviles, pero solo sirven para potencias bajas.

 

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