PROYECTO FINAL INSTRUMENTACIN Y MEDICIONES

13-6-2014

Contenido

2Introduccin

31.Objetivos

42.Justificacin

53.Marco Terico

53.1.Puente de Wheatstone

83.2.Diseo de un Puente de Wheatstone

93.3.Qu es una galga extensiomtrica?

103.4.Principios de las galgas extensiomtricas

103.5.Galgas extensiomtricas confinadas en papel metlico

114.Descripcin

125.Desarrollo del proyecto

125.1.Materiales utilizados.

125.2.Tabla de Costos

125.3.Cdigo utilizado en Arduino.

155.4.Caracterizacin de la Galga.

165.5.Diseo del Montaje

165.6.Simulacin.

175.7.ISIS

175.8.El mdulo VSM

175.9.ARES

185.10.Montaje del Proyecto

196.CONCLUSIONES

207.BIBLIOGRAFIA

Introduccin

Las bsculas miden la fuerza ejercida por un objeto sujeto a la fuerza de gravedad. Gracias a la relacin F= m*a, siendo a=la gravedad, es posible calcular la masa. Las bsculas se tienen que "calibrar" en donde se vayan a utilizar, debido a las diferencias en la fuerza de gravedad en diferentes partes del planeta. El mtodo utilizado para calibrar es por comparacin a estndares o patrones internacionales definidos de masa (el kilogramo, la libra, etc.) La divisin se hace automticamente por comparacin, ya que se toma tericamente una fuerza de gravedad constante, si la fuerza de gravedad es constante, entonces la masa es directamente proporcional a la fuerza.

Comercialmente existen dos tipos de bsculas: mecnicas o electrnicas. Las bsculas mecnicas actan por medio de relacin de palancas. Las bsculas electrnicas utilizan un sensor mejor conocido como celda de carga.

Las celdas de carga convencionales, consisten de un metal a donde se adhieren galgas extensomtricas las cules cambian su resistencia al flexionarse. El metal se calcula para que trabaje en su zona elstica, esto es lo que define la capacidad de una celda. El arreglo de las resistencias se hace con un puente de wheatstone, de modo que al alimentarse con un voltaje entregan una salida de voltaje proporcional a la fuerza aplicada en el metal (en el orden de mili voltios).

Las celdas de carga, tienen una precisin mxima de 1 en 10.000, pero debido a la parte electrnica esta se reduce efectivamente a 1 en 5.000.

Cuando la celda se somete a esfuerzos por encima de la capacidad, el metal del cuerpo de la celda pasa a una zona inelstica (se flexiona de ms) y ya no regresa a su estado natural, similar a lo que pasa cuando estiras un resorte "de ms" y ya no regresa. El resultado de esto es que la salida de voltaje que entrega la celda se le agrega un "offset".

Partiendo del principio funcionamiento de una bscula que es el objetivo en el que concentraremos nuestros esfuerzo, en este documento veremos como el grupo trabajo colaborativo orientado por el tutor del curso de instrumentacin y mediciones, aplican todos los conocimientos adquiridos en el transcurso del semestre y tomando como referencia el modulo del curso desarrollaremos el proyecto final.

Podremos conocer la teora de cada componente utilizado, y la metodologa utilizada que fue propuesta por la gua de trabajo, documentando fase a fase desde las pruebas de papel hasta el resultado final.

1. Objetivos

Construir un sistema de instrumentacin para medir la variable peso, utilizando un puente de Wheatston.

Sustentar el sistema de instrumentacin para medir la variable peso de acuerdo con las variables establecidas para el proyecto.

Aplicar los conocimientos adquiridos en el curso de Instrumentacin y mediciones.

Fortalecer el trabajo de grupo y la toma de decisiones.

Aplicar conceptos matemticos al desarrollo del trabajo.

Utilizar herramientas de simulacin para el montaje del diseo del proyecto.

2. Justificacin

Este trabajo se realiza con el fin de demostrar los conocimientos adquiridos del grupo colaborativo en el curso de Instrumentacin y Mediciones, se pretende por parte del tutor que los estudiantes trabajemos en equipo, se realicen debates y argumentos sustanciales que permitan una buena planeacin y diseo del trabajo.

El proyecto se enfoca en la construccin de una bscula electrnica, el cual es un instrumento de medida de la masa y sus unidades segn el estndar internacional est dado en Kilogramos.

Ms all del fin lo que se es espera es cada uno de nosotros los estudiantes, y dejando de un lado el tema tcnico, es hacer personas capaces de interactuar por un mismo fin, aportando cada uno desde su habilidad ms desarrollada y fortaleciendo las que no lo son. Generar responsabilidad grupal y respeto hacia los compaeros y el tutor.

3. Marco Terico3.1. Puente de Wheatstone

Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. La variacin en el valor inicial de una o varias de las resistencias del puente, como consecuencia de la variacin de una magnitud fsica, se detecta en el puente como un cambio en la tensin de salida. Dado que los cambios de resistencia son muy pequeos, los cambios en la tensin de salida pueden ser tan pequeos como decenas de mV, lo que obliga a amplificar la seal de salida del puente.

Las resistencias R1 y R3 son resistencias de precisin, R2 es una resistencia variable calibrada, Rx es la resistencia bajo medicin y G es un galvanmetro de gran sensibilidad.

Si variamos R2 hasta que el galvanmetro indique cero corrientes, se cumplir que:

Por lo general, la configuracin con la que se representa este circuito es la mostrada en la Figura, y la condicin de equilibrio del Puente, cuando la corriente por el galvanmetro es igual a cero, est dada por la expresin:

Factores de los que depende la exactitud del puente

La exactitud y precisin con la que determinemos el valor de Rx de una resistencia con un puente de Wheatstone dependen de los siguientes factores:

De la exactitud y precisin de las otras tres resistencias que constituyen el puente. Si Rx est dada por la expresin:

El error relativo de Rx en funcin de los errores relativos de las resistencias est dada por la expresin:

De los valores de las resistencias de precisin R1 y R3 Cuanto menores sean los valores nominales de dichas resistencias, mayores sern las corrientes en el circuito, y ser ms simple detectar variaciones de las mismas.

Del valor de la fuente E. Cuanto mayor sea dicho valor, mayores sern las corrientes en el circuito, por lo que ser ms simple detectar variaciones en sus valores. Debido a las condiciones impuestas sobre la batera y las resistencias, se tienen que realizar los diseos tomando en cuenta las limitaciones de potencia de estas ltimas.

De la sensibilidad del galvanmetro. Cuanto mayor sea dicha sensibilidad se podr apreciar mejor la corriente ig, y por lo tanto se podrn ajustar las resistencias con ms precisin para que la corriente sea cero.3.2. Diseo de un Puente de Wheatstone

Por lo general, cuando se va a disear un puente de Wheatstone se especifica para qu rango o rangos de resistencias se quiere utilizar. Por ejemplo, supongamos que queremos disear un puente de Wheatstone con la configuracin de la Figura 5 para medir resistencias del orden de los K.

Fig. 1. Puente de Wheastone

El potencimetro Rp en serie con el galvanmetro tiene como funcin proteger a este dispositivo mientras realizamos los primeros ajustes. Al comenzar el proceso de medicin colocamos este potencimetro de forma que su resistencia sea mxima, y a medida que nos vamos aproximando al valor real de la resistencia incgnita, lo vamos variando, hasta hacer que su resistencia sea igual a cero.

Las resistencias R1 y R3 van a ser resistencias de precisin (tolerancia 1% o menor), y la resistencia variable R2 va a ser una dcada de resistencias de valor mximo 100K por ejemplo,

Fig. 2. Resistencia Variable.

Como nos interesa hacer mediciones de resistencias del orden de 1 K con la mayor precisin posible, vamos a hacer corresponder los valores del selector A, a pasos de 1 K.

Esto significa que cuando Rx sea 1 K, el selector A va a estar en la posicin 1 y todos los dems en cero. Para lograr esto, en la siguiente expresin:

La relacin R1/R3 debe ser igual a 0,1. Podemos asignarle a estas resistencias los valores que deseemos, con tal de que cumplan esta relacin. Como vimos anteriormente, es conveniente que estas resistencias tengan un valor nominal bajo para maximizar la precisin del Puente. Vamos a asignar a la ms pequea de las dos (R1) un valor de l0 por ejemplo, lo cual significa que R3 = 100 . La tolerancia de estas resistencias debe ser lo menor posible.

El valor de E debe ser lo ms grande posible, tomando en cuenta que las resistencias pueden disipar como mximo 1/2W y la dcada R2 hasta 1/4W. Como peor caso, podemos considerar la conexin directa de la resistencia de 10 a la fuente E. Para que dicha resistencia disipe menos de 1/2W en estas condiciones, la fuente no debe superar los 2,24 V. En condiciones normales de operacin, el voltaje aplicado a dicha resistencia ser una fraccin del voltaje de la fuente, y por lo tanto su disipacin de potencia ser mucho menor.

3.3. Qu es una galga extensiomtrica?

Una galga extensiomtrica es un sensor cuya resistencia vara con la fuerza aplicada; convierte la fuerza, presin, tensin, peso, etc., en un cambio de la resistencia elctrica el cual puede ser medido.

3.4. Principios de las galgas extensiomtricas

Cuando se aplica una fuerza externa a un objeto estacionario, se produce tensin y estrs sobre l. El estrs se define como las fuerzas internas de resistencia del objeto, y la tensin se define como el desplazamiento y la deformacin que se producen.

La galga extensiomtrica es una de las herramientas ms importantes en la tcnica aplicada de medicin elctrica de magnitudes mecnicas. Como su nombre indica, se utiliza para la medicin de tensiones. "Tensin" como trmino tcnico consiste en la deformacin por traccin y compresin, que se distingue por un signo positivo o negativo. Por lo tanto, las galgas extensiomtricas se pueden utilizar para medir la expansin y la contraccin.

La tensin de un cuerpo siempre es causada por una influencia externa o un efecto interno. La tensin puede ser causada por fuerzas, presiones, momentos, calor, cambios estructurales del material o efectos similares. Si se cumplen determinadas condiciones, la cantidad o el valor de la cantidad se puede calcular con el valor de tensin medido. En el anlisis experimental de la tensin, esta caracterstica es usada ampliamente. El anlisis experimental de la tensin utiliza los valores de tensin medidos en la superficie o en alguna parte estructural del cuerpo, para indicar la tensin en el material y tambin para predecir su seguridad y la resistencia. Se pueden disear transductores especiales para la medicin de las fuerzas o de otras magnitudes derivadas, por ejemplo, momentos, presiones, aceleraciones y desplazamientos, vibraciones y otros. El transductor contiene generalmente un diafragma sensible a la presin, con galgas extensiomtricas unidos a la misma.

3.5. Galgas extensiomtricas confinadas en papel metlico

La primera galga con cables metlicos fue desarrollada en 1938. La galga extensiomtrica confinada en papel metlico consiste en una red de filamento de alambre (una resistencia) de espesor de aproximadamente 0,025 mm, unido directamente a la superficie de la galga por una fina capa de resina epoxy. Cuando se aplica una carga a la superficie, el cambio resultante en la longitud de esta, se refleja en la resistencia. La deformacin correspondiente se mide en trminos de la resistencia elctrica del alambre de aluminio, que vara linealmente con la tensin. La lmina y el agente de adhesivo deben trabajar juntos en la transmisin de la presin. El adhesivo sirve, de igual modo, como un aislante elctrico entre la rejilla y la superficie de la lmina. Cuando se selecciona una galga extensiomtrica, se debe considerar no slo la capacidad de medir la presin que tiene el sensor, sino tambin su estabilidad y sensibilidad a la temperatura. Desafortunadamente, los materiales ideales para medir la presin, son tambin los ms sensibles a las variaciones de temperatura y tienden a cambiar la resistencia a medida que envejecen. Para pruebas de corta duracin, esto puede no ser una preocupacin seria, pero para la medicin industrial continua, se debe considerar la compensacin de la temperatura.

3.6. Circuitos de medidaCon el fin de medir la deformacin con una galga extensiomtrica resistiva, esta debe estar conectada a un circuito elctrico que sea capaz de medir los cambios en la resistencia correspondientes a la tensin. Los transductores de galgas extensiomtricas, normalmente, emplean 4 galgas conectadas elctricamente en lo que se conoce como circuito de puente de Wheatstone. Un puente de Wheatstone es un circuito utilizado para la medicin de la resistencia elctrica esttica o dinmica. La tensin de salida del puente de Wheatstone se expresa en mili voltios de salida por voltaje de entrada. El circuito de Wheatstone es tambin muy adecuado para la compensacin de temperatura. El nmero de medidores de deformacin activos que deben ser conectados al puente depende de la aplicacin. Por ejemplo, puede ser til para conectar galgas que estn en lados opuestos de una viga, una en compresin y la otra en tensin. En esta disposicin, se puede doblar el valor de la salida para una misma presin. En instalaciones en las que todos los brazos estn conectados a las galgas extensiomtricas, la compensacin de temperatura es automtica, ya que los cambios de resistencia debido a variaciones de temperatura ser la misma para todos los brazos del puente.

4. DescripcinEste proyecto pretende, que nosotros los estudiantes, apliquemos todos los conocimientos adquiridos durante el semestre para desarrollar una aplicacin prctica. El diseo en grupo nos permite la ampliacin de ideas renovadas y actualizadas y la bsqueda de senderos vlidos a la hora de tomar decisiones referentes a cada una de las fases del proyecto.

Realizaremos una bscula electrnica, revisamos ejemplos que encontramos sobre internet, tratamos de analizar en el foro colaborativo como seria este desarrollo, los compaeros dieron sus aporte en el foro, (Correa, 2014) propuso desarrollarlo de la siguiente manera.

Bueno yo hago la configuracin normal dewheatstone le aplicounos 10V en DC para eso voy a usar una fuente regulada.

Necesitamos un sensor que detecte el peso, llegue a pensarusar un dinammetro porque al fin y al cabo esto mide la fuerza que se ejerce en l y como lo que necesitamos en peso no fuerza, pues sencillo ambas al final usan las mismas unidades de medida es decir M/s2

P= m*g= M/s2

F= m*a= M/s2

Si no los pido Resistivos pues no puedo hacer la prctica como se solicita en la cual haga un wheatstoneya quelos anteriores normalmente ya vienen con ese acople, por eso debo comprarlas resistivas, ahora para hacer el clculo de las resistencias que debe tener el puente wheatstone, sencillamente le pregunto al vendedor que dice la ficha tcnica de cualquiera de las 3 cosas de arriba que mencione y sino que me preste un tester yyo mismo lo mido.Para tener exactitud puedo comprar en vez de resistencias normales, me compro trimmers.

Y para visualizar el peso pues como la variacin que se mide en el puente wheatstone es voltaje, me compro un medidor de voltaje anlogo.

5. Desarrollo del proyecto

5.1. Materiales utilizados. Resistencias Trimer de 10K Arduino Celda de carga Display LCD Amplificadores Protoboard Fuentes de poder5.2. Tabla de CostosMATERIALESCANTIDADVALOR UNITARIOTOTAL

Resistencias10 $ 200,00 $ 2.000,00

Trimer de 10K2 $ 500,00 $ 1.000,00

Ardiuno1 $ 30.000,00 $ 30.000,00

Celda de carga1 $ 16.000,00 $ 16.000,00

Display LCD1 $ 40.000,00 $ 40.000,00

Amplificadores3 $ 2.000,00 $ 6.000,00

Protoboard1 $ 12.000,00 $ 12.000,00

Fuentes de poder1 $ 80.000,00 $ 80.000,00

Buffer de Voltaje1 $ 12.000,00 $ 12.000,00

TOTAL $ 199.000,00

Tabla1. Costos del proyecto.

5.3. Cdigo utilizado en Arduino. LiquidCrystal Library - Hello World

Demonstrates the use a 16x2 LCD display. The LiquidCrystal

library works with all LCD displays that are compatible with the

Hitachi HD44780 driver. There are many of them out there, and you

can usually tell them by the 16-pin interface.

This sketch prints "Hello World!" to the LCD

and shows the time.

The circuit:

* LCD RS pin to digital pin 12

* LCD Enable pin to digital pin 11

* LCD D4 pin to digital pin 5

* LCD D5 pin to digital pin 4

* LCD D6 pin to digital pin 3

* LCD D7 pin to digital pin 2

* LCD R/W pin to ground

* 10K resistor:

* ends to +5V and ground

* wiper to LCD VO pin (pin 3)

Library originally added 18 Apr 2008

by David A. Mellis

library modified 5 Jul 2009

by Limor Fried (http://www.ladyada.net)

example added 9 Jul 2009

by Tom Igoe

modified 22 Nov 2010

by Tom Igoe

This example code is in the public domain.

http://www.arduino.cc/en/Tutorial/LiquidCrystal */

// include the library code:

#include

int sensorValue = 0;

int PESO=0;

// initialize the library with the numbers of the interface pins

// RS E D4,D6,D7,D8

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

void setup() {

// set up the LCD's number of columns and rows:

lcd.begin(16, 2);

// Print a message to the LCD.

lcd.print("Sensor de Peso");

}

void loop() {

sensorValue = analogRead(A0);

PESO = 0,5026*sensorValue - 3,629;

// set the cursor to column 0, line 1

// (note: line 1 is the second row, since counting begins with 0):

lcd.setCursor(0, 6);

lcd.print(" g");

lcd.print(PESO);

5.4. Caracterizacin de la Galga.vmasa (g)

00

1200

2400

3600

4800

4,81000

Tabla2. Voltaje vs masa.

Fig. 3. Voltaje vs masa.

ADCmasa (g)

00

205100

409200

614300

818400

982500

Tabla2. ADC vs masa.

Fig. 4. ADC vs masa.

5.5. Diseo del MontajeA Continuacin mostramos el diseo del montaje de amplificacin realizado:

Fig. 5. Diseo de la solucin del proyecto.5.6. Simulacin.Para la realizacin del montaje, se utiliz el software proteus versin 8.1

Proteuses unacompilacindeprogramasde diseo y simulacinelectrnica, desarrollado porLabcenter Electronicsque consta de los dos programas principales: Ares e Isis, y los mdulos VSM y Electra.5.7. ISIS

El Programa ISIS,IntelligentSchematicInputSystem (Sistema de Enrutado de Esquemas Inteligente) permite disear el plano elctrico delcircuitoque se desea realizar concomponentesmuy variados, desde simplesresistencias, hasta alguno que otromicroprocesadoromicrocontrolador, incluyendofuentes de alimentacin, generadores desealesy muchos otros componentes con prestaciones diferentes. Los diseos realizados en Isis pueden ser simulados en tiempo real, mediante el mdulo VSM, asociado directamente con ISIS.5.8. El mdulo VSM

Una de las prestaciones de Proteus, integrada con ISIS, esVSM, elVirtualSystemModeling (Sistema Virtual de Modelado), una extensin integrada con ISIS, con la cual se puede simular, entiemporeal, con posibilidad de ms rapidez; todas las caractersticas de varias familias demicrocontroladores, introduciendo nosotros mismos elprograma que controlar el microcontroladory cada una de sus salidas, y a la vez, simulando las tareas que queramos que lleve a cabo con el programa. Se pueden simular circuitos con microcontroladores conectados a distintos dispositivos, como motores,lcds, teclados en matriz, etc. Incluye, entre otras, las familias de PIC'sPIC10,PIC12,PIC16,PIC18,PIC24 y dsPIC33. ISIS es el corazn del entorno integrado PROTEUS. Combina un entorno de diseo de una potencia excepcional con una enorme capacidad de controlar la apariencia final de los dibujos.wdsDA

5.9. ARES

ARES, oAdvancedRouting andEditingSoftware (Software de Edicin y Ruteo Avanzado); es la herramienta de enrutado, ubicacin y edicin de componentes, se utiliza para la fabricacin de placas decircuito impreso, permitiendo editar generalmente, las capas superficial (Top Copper), y de soldadura (Bottom Copper).

Fig. 6. Simulacin Proteus montaje del circuito.

Fig. 7. Simulacin Proteus Resultado final.

5.10. Montaje del ProyectoLa implementacin del proyecto fue realizada por el Ingeniero Alejandro Correa, podr ser visto por youtube en el siguiente link:http://www.youtube.com/watch?v=hVp3Sx7a1-A&feature=youtu.be6. CONCLUSIONES

Se comprob el funcionamiento del puente de Wheatston. Se aplicaron los conocimientos adquiridos en el curso de instrumentacin y mediciones Se realiz un proyecto por etapa, diseo y montaje para validar el funcionamiento. Se implement la parte de programacin, para poder complementar el proyecto. Se adquirieron las destrezas necesarias para construir una bscula electrnica de masa no mayor a 1000g. Se abarco en el funcionamiento del PIC Arduino.

Exploramos el programa proteus y aprendimos a generar simulaciones que son importantes en proyectos de este tipo.

Se trabaj en equipo y se afianzo en aportar para un bien comn.

7. BIBLIOGRAFIA

Calvillo, C. F. (Diciembre de 2005). UNIVERSIDAD GUADALAJARA BASCULA ELECTRONICA. Obtenido de http://www.diagramasde.com/diagramas/otros2/Bascula_electronica.pdf Correa, A. (4 de JUNIO de 2014). FORO COLABORATIVO PROYECTO FINAL. Obtenido de http://www.unad.learnmate.co/mod/forum/discuss.php?d=26278

Reyes, L. (2009). Electronica y Microelectronica para cientificos. Obtenido de http://fisica.udea.edu.co/~lab-gicm/Curso%20de%20Electronica/2009_Puente_de_Wheaststone.pdf

Sosa, J. (s.f.). GALGAS EXTENSIOMETRICAS. Obtenido de http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Strain_Gages_1.pdf

PROYECTO FINAL INSTRUMENTACIN Y MEDICIONES

BASCULA ELECTRONICA

En este proyecto se va a construir un sistema de instrumentacin para medir peso utilizando un puente de Wheatstone.

Alejandro Correa; Arturo Perpin; Edgar Ortiz.

13/06/2014

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