INSTRUMENTACIÓN MECATRÓNICA INFORME
TEMA: “DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN VI PARA EL LLENADO DE BOTELLAS DE 0 A 3
LT MEDIANTE UN SENSOR DE FUERZA”.
INTEGRANTES: CANGUI RICHAR PÉREZ KEVIN YÁNEZ CRISTIAN
Nivel: 7MO Mecatrónica Docente: ING. PATRICIA CONSTANTE
ÍNDICE 1.
.................................................................................................................................... 5 Tema: .....................................................................................................................................
2.
Objetivos: ........................................................... .............................................................................................................................. ................................................................... 5
3.
2.1.
Objetivo General ........................................................................................................... 5
2.2.
..................................................................................................... ............................................. 5 Objetivos específicos........................................................
...................................................................................................................... 5 Marco Teórico .......................................................................................................................
3.1.
Sensores de fuerza presión y torque .............................................................................. 5
3.1.1.
Sensor de Fuerza .................................................................. ................................................................................................... ................................. 5
3.1.2.
.................................................................................................. 6 Extensionometría ...................................................................................................
3.1.3.
................................................................................................... ................................. 6 Sensor de Fuerza ..................................................................
3.1.4.
.................................................................................................. ................................. 7 Sensor de presión .................................................................
3.1.5.
Sensor de torque .................................................................................................... 7
3.2.
.................................................................................................. 7 EL SENSOR A USAR ..................................................................................................
3.2.1.
Sensor de torque .................................................................................................... 7
3.2.2.
Características .......................................................... ....................................................................................................... ............................................. 8
3.3.
ACONDICIONAMIENTO ........................................................................................... 9
3.3.1. 3.4.
.................................................................. 10 Software interfaz para la implementación ...................................................................
3.4.1. 3.5.
4.
.................................................................................................................. 9 AD620 ...................................................................................................................
LabVIEW ............................................................................................................ 10
Tarjeta de adquisición de datos ................................................................................... 10
3.5.1.
.................................................................................................................... ...................................................... 10 DAQ ..............................................................
3.5.2.
............................................................................................................... ...................................................... 11 Arduino .........................................................
Diseño ................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................ 11 4.1.
...................................................................................................................... 11 Cálculos .......................................................................................................................
4.1.1.
................................................................................... 11 Ganancia del amplificador ...................................................................................
4.1.2.
................................................................................... .................... 12 Condiciones de linealidad ...............................................................
4.2.
Simulación ................................................................................................................... .................................................................................................................. 12
5.
Equipos y características ..................................................................................................... 13
6.
..................................................................................................................... ...................................................... 15 Procedimiento ...............................................................
7.
6.1.
Procedimiento Previo .................................................................................................. 15
6.2.
Procedimiento ................................................................... ............................................................................................................. .......................................... 15
6.3.
.............................................................................................. ............................... 16 Procedimiento posterior ...............................................................
.......................................................................................................... 16 Resultados obtenidos ...........................................................................................................
7.1.
Sensor de fuerza sin acondicionamiento ..................................................................... 16
7.2.
Sensor de fuerza con acondicionamiento .................................................................... 16
7.3.
................................................................................... .................... 17 Valores del VI y valores reales ...............................................................
8.
Análisis ................................................................................................................................ 18 8.1.
Características del funcionamiento del sensor ............................................................ 18
8.2.
ERROR EN EL VI ...................................................................................................... 19
9.
Conclusiones ....................................................................................................................... 20
10.
Recomendaciones ............................................................................................................ 21
11.
Bibliografía ..................................................................................................................... 21
12.
Anexos ............................................................................................................................. 23
Índice de Ilustraciones Ilustración 1. Galga extensiométrica (Chávez, 2008) ....................................................... 6 Ilustración 2. Sensor de presión (HeTPro, 2017) ............................................................. 7 Ilustración 3. Sensor de torque (Electronics, 2017) .......................................................... 8 Ilustración 4. Distribución de los pines del AD620 ("Amplificador de instrumentación AD620", 2017) ................................................................................................................. 9 Ilustración 5. Ícono de LabVIEW (Jolly,2017) .............................................................. 10 Ilustración 6 Sistema de adquisición de datos (Ni.com, 2017) ...................................... 11 Ilustración 7. Arduino. Fuente: Ardruino.cl,2017 .......................................................... 11 Ilustración 8. Implementacion de VI .............................................................................. 16 Ilustración 9. Linealización del sensor amplificado. ...................................................... 17 Ilustración 10. Linealidad del sensor. ............................................................................. 18 Ilustración 11. Histéresis producida por el sensor. ......................................................... 19 Ilustración 12. Error absluto. .......................................................................................... 20
Índice de Tablas Tabla 1. Equipos y elementos empleados. ...................................................................... 13 Tabla 2. Resultados sin el acondicionamiento del sensor .............................................. 16 Tabla 3. Resultados obtenidos con el sensor de fuerza acondicionado .......................... 17 Tabla 4. Valor real versus valor medido ......................................................................... 17 Tabla 5. Características de funcionamiento del sensor ................................................... 18 Tabla 6. Tabla de valores medidos versus reales con error absoluto ............................. 20
1. Tema: Desarrollo e implementación de un VI para el llenado de botellas de 0 a 3 lt mediante un sensor de fuerza.
2. Objetivos: 2.1. Objetivo General
Desarrollar e implementar un VI para el llenado de botellas de 0 a 3 lt mediante un sensor de fuerza.
2.2. Objetivos específicos
Analizar el funcionamiento de sensor de torque.
Diseñar e implementar el circuito para acondicionar la señal del sensor de 0 a 5v para leer datos en Arduino.
Implementar un VI para mostrar en forma gráfica el peso en litros.
Analizar los resultados obtenidos
3. Marco Teórico 3.1. Sensores de fuerza presión y torque 3.1.1. Sensor de Fuerza Un sensor de fuerza tiene por objeto la medida de las deformaciones de los cuerpos, mediante una galga extensiométrica, a este método se le denomina extensionometría.
3.1.2. Extensionometría Es un método que consiste en la aplicación de galgas extensiométricas sobre cuerpos metálicos como vigas o cilindros. Cuando dichos cuerpos entran en contacto con una fuerza externa ya sea de presión, torque o tracción, producen una variación en la resistencia interna de la galga. (Chávez, 2008) En la ilustración 1 se puede observar las partes principales de una galga extensiométrica, cuando la galga extensiométrica se deforma, sus dimensiones se ven afectadas produciendo la variación de la resistencia.
Ilustración 1. Galga extensiométrica (Chávez, 2008)
3.1.3. Sensor de Fuerza Los sensores de fuerza transforman la magnitud mecánica en magnitud eléctrica, utilizados para medir la fuerza en la dirección de tracción; son empleados para cualquier tipo de aplicación industrial o ensayos. ("Sensing", 2017) La salida es directa desde un puente de Wheatstone montado internamente, que envía una señal eléctrica cuando sobre éste es aplicado una fuerza de tracción. Ejemplos:
Células de carga tipo S AEP TS
Sensor de fuerza LORENZ K100
Sensor de carga a tensión alto rango AEP T20
3.1.4. Sensor de presión Los sensores de presión o compresión son utilizados para medir la carga en dirección de compresión de la galga extensiométrica. (HeTPro, 2017) Es construido generalmente en forma de membrana como se muestra en la ilustración 2, el mismo que al detectar una presión cambia su resistencia interna.
Ilustración 2. Sensor de presión (HeTPro, 2017)
3.1.5. Sensor de torque Un sensor de torque o transductor de torque utiliza galgas extensiométricas distribuidas en el centro de una barra de metal, su medición es de acuerdo con la flexión que la fuerza externa produce sobre dicha barra de metal. ("Sensing", 2017) Su anclaje es muy fácil ya que las barras poseen agujeros en el extremo opuesto, siendo más segura su manipulación.
3.2. EL SENSOR A USAR 3.2.1. Sensor de torque El transductor de toque mostrado en la ilustración 3 transforma la deformación de la barra metálica en voltaje.
Ilustración 3. Sensor de torque (Electronics, 2017)
3.2.2. Características
Rango de carga :5kg
Salida nominal: 1,0 ± 0.15mV / V
Repetibilidad: 0,03% FS
Efecto de la temperatura en la salida: 0,01% F.S / ° C
Efecto de la temperatura sobre cero: 0.05% F.S / ° C
Cero: ± 0.1000 mV / V
Impedancia de entrada: 1115 + - 10% Ω
Impedancia de salida: 1000 + - 10% Ω
Resistencia de aislamiento:> = 1000 MΩ
Tasa Sobrecarga segura: 150% FS
Tasa de sobrecarga final: 200% FS
Rango de temperatura: -20 - 60 ° C
Voltaje de funcionamiento: 3VDC ~ 14 VDC.
Material: Aleación de aluminio
Grado de protección: IP65
Cable: φ0.8 × 25 cm o
Tamaño: :4.5 x 0.9 x 0.6cm
Cableado: o
Rojo: Alimentación +
o
Negro: Fuente -
o
Verde: Señal +
o
Blanco: Señal –
(Electronics, 2017)
3.3. ACONDICIONAMIENTO 3.3.1. AD620 El elemento mostrado en la ilustración 4 es un amplificador de instrumentación de precisión de bajo consumo de potencia, ampliamente utilizado en el acondicionamiento de señales de voltaje obtenidas por galgas extensiométricas.
Ilustración 4. Distribución de los pines del AD620 ("Amplificador de instrumentación AD620", 2017)
3.3.1.1.
Características
Rango de ganancia entre 1 y 10000, configurable con un solo resistor externo
Consumo de corriente en reposo: 1.3 mA max.
Bajo drift del voltaje offset: 0.6 μV/°C max.
Bajo voltaje de offset: 125 μV max
Bajo ruido: 13 nV/√Hz
Baja corriente de polarización de entrada: 2 nA max.
Alta impedancia de entrada: 10 GΩ
Ancho de banda: 120 kHz (G=100)
Amplio voltaje de alimentación: ±2.3 V a ±18 V
Encapsulado: DIP de 8 pines
("Amplificador de instrumentación AD620", 2017)
3.4. Software interfaz para la implementación 3.4.1. LabVIEW LabVIEW es un software desarrollado por la empresa National Instruments, especializado en informática industrial y cient ífica. (“National Instruments”, 2017) El software se basa en lenguaje G, que es un entorno gráfico. Permite el desarrollo de programas informáticos complejos facilitando al mismo tiempo la programación y el proceso de desarrollo. (Jolly, 2017)
Ilustración 5. Ícono de LabVIEW (Jolly,2017)
3.5. Tarjeta de adquisición de datos 3.5.1. DAQ La adquisición de datos es un proceso de medir con una PC un fenómeno externo, consiste en un grupo de sensores conectados a un dispositivo DAQ, el mismo que envía las señales al computador que tiene un software programable. (Ni.com, 2017)
Ilustración 6 Sistema de adquisición de datos (Ni.com, 2017)
3.5.2. Arduino Arduino es una plataforma Open Source, es basado en hardware y software de fácil uso y flexibles. Utilizada para la construcción de proyectos electrónicos por estudiantes, diseñadores y prácticamente cualquier persona interesada en crear objetos o entornos interactivos. (Arduino.cl, 2017).
Ilustración 7. Arduino. Fuente: Ardruino.cl,2017
4. Diseño 4.1. Cálculos 4.1.1. Ganancia del amplificador
= Ganancia = Resistencia de ganancia = 7 Voltaje de entrada al amplificador = 5 = Voltaje de salida del amplificador = ⋅ = = . = 624.3 =
(1) (2)
De acuerdo con la ganancia obtenida por la ecuación 1, se tiene qué:
= . + 1
(3)
Reemplazando el valor de (2) en (3)
333.36 = 49.4 + 1 → = 72.25ℎ Por lo tanto, se utilizará una resistencia de 100 ohmios, para obtener la ganancia que requiere la señal de salida del sensor.
4.1.2. Condiciones de linealidad
Pendiente
− = − De acuerdo con la ecuación 4:
0.1 = 1.38 = 75 Ecuación de linealidad:
= 1.38 + 0.1 4.2. Simulación
(4)
Ilustración 8. Simulación del circuito (Autores, 2017)
5. Equipos y características Tabla 1. Equipos y elementos empleados
Equipo
Características Físicas
AD620 -Amplificador operacional
-Transductor que transforma
Celda de carga
fuerza aplicada en señal electrica
Grafico
.
FUENTE DE PODER
PROTOBOARD
CABLES
RESISTECIAS
MULTIMETRO
-Genera voltaje DC +- 12, +-5 y +-3 Voltios.
-Placa de pruebas
-Cables para la conexión
-Elemento que se opone al flujo de electrones
-Elemento de medición
COMPUTADOR
ARDUINO
-DELL Inspirion 5567- i7
-Tarjeta para adquisición de datos
6. Procedimiento 6.1. Procedimiento Previo
Revisar hoja de datos de cada elemento.
Comprobar el correcto funcionamiento de los elementos a usar con circuitos de prueba
6.2. Procedimiento
Construir una base para el circuito de prueba
Implementar los circuitos de prueba para la celda de carga
Medir la variable de voltaje obtenida aplicando pesos en un rango dentro de los límites de peso del sensor.
Realizar el cálculo de ganancia para que se pueda medir la amplificación del sensor de 0 a 5 Voltios.
Medir la señal amplificada en Arduino
Establecer el VI para mostrar la variable medida y manipular para obtener ML.
Ilustración 8. Implementacion de VI
Medir las variables amplificadas y las conversiones obtenidas
6.3. Procedimiento posterior
Comparar y analizar las variables medidas con las establecidas en la hoja.
7. Resultados obtenidos 7.1. Sensor de fuerza sin acondicionamiento Los datos obtenidos con el sensor de fuerza sin acondicionamiento son los siguientes: Tabla 2. Resultados sin el acondicionamiento del sensor
Peso(kg)
Litros
Voltaje(mV)
0
0
0
0.25
0.25
0
0.5
0.5
0,1
1
1
0,2
2
2
0,4
3
3
0,7
7.2. Sensor de fuerza con acondicionamiento Los datos obtenidos con el sensor de fuerza sin acondicionamiento son los siguientes:
Tabla 3. Resultados obtenidos con el sensor de fuerza acondicionado
Valores en
Valores en
Voltaje del
(kg)
Ascendente (V)
Descendente (V)
multímetro
0
0.65
0.68
0.65
0.5
0.951
0.951
0.959
1
1.907
1.877
1.899
1.5
2.852
2.842
2.839
2
3.813
3.808
3.789
2.2
4.592
4.592
4.689
V amplificado 4,5 y = 0,916x + 1,4461
4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Ilustración 9. Linealización del sensor amplificado.
7.3. Valores del VI y valores reales Tabla 4. Valor real versus valor medido Valor Real (L) 0 0.25 0.5 1 2 2.5 3
Valor Indicado en el VI (L) -0.01 0.3 0.48 1.2 2.0 2.6 Mayor a 2.6
Voltaje 1.3 1.89 2.05 2.6 3.49 4.047 4.116
8. Análisis 8.1. Características del funcionamiento del sensor Acorde a los resultados obtenidos en la tabla 5 se obtiene: Tabla 5. Características de funcionamiento del sensor
Voltaje del (kg)
multímetro
0
0.65
0.5
0.959
1
1.899
1.5
2.839
2
3.789
2.2
4.689 Fuente: Autores, 2017
Ilustración 10. Linealidad del sensor.
Acorde a la ilustración 10 se evidencia que la salida del sistema se acerca a una línea recta indicando que hay una proporcionalidad entre los pesos que ingresan y los que salen, a su vez estos pesos se ven afectados en mediciones posteriores debido al offset del amplificador y la histéresis propia del sensor.
Ilustración 11. Histéresis producida por el sensor.
De acuerdo con los resultados mostrados en la figura 11 se obtiene:
0.008 = 0.00203 = = (4.590.65) Indicativo de que las variaciones observadas en el sensor corresponden a la histéresis propia del sensor.
8.2. ERROR EN EL VI La linealización así como la histéresis del sensor acondicionado generar que la curva presenta zonas en las que se aleja de los puntos de enlace, generando que el error en el VI aumente. Obteniendo un error estimado de:
Error relative total
1 = |0.280.25 0.25 |X100% = 12% 2 = |0.480.5 0.5 |X100% = 0.4% 3 = |1.021 1 |X100 = 2% 4 = |2 2 2|X100 = 0% 5 = |2.62.5 2.5 |X100 = 4% 6 = |2.83 3 |X100 = 5.66%
+ 1 = 12 + 0.4 + 2 +5 0 + 4 + 5.66 = 04.01%
Este error se le atribuye de forma directa a la tolerancia de la resistencia en el acondicionamiento y la falta de un offset para el seteo completo. Tabla 6. Tabla de valores medidos versus reales con error absoluto Valor Real (L) 0 0.25 0.5 1 2 2.5 3
Valor Indicado en el VI (L) -0.01 0.28 0.48 1.02 2.0 2.6 2.8
ERROR ABSOLUTO IND 12 0.4 2 0 4 5.66
Acorde a la Tabla 6 el error aumentara a medida que se aleje de los puntos de centrales de medición esto se debe a que el sensor no es completamente lineal, y como se puede apreciar en la ilustración 12 existe la mayor no linealidad en el inicio y fin de la medición.
ERROR ABSOLUTO 14 12 10 8 6 4 2 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Ilustración 12. Error absluto.
9. Conclusiones
Los sensores de torque se caracterizan por resistencias que varían acorde a la fuerza empleada, para el proyecto se empleó una de 5kg cuya alimentación está en el rango de 3 a 14V por lo cual se procedió a alimentar con 12v mediante una fuente de poder.
El diseño de amplificación se basa en un amplificador AD620 cuya ganancia es de 714V, mediante un potenciómetro se configura para obtener la ganancia deseada. El rango de salida va desde 0.65 a 4.98 voltios con lo cual se pudo leer datos mediante ardruino
Una vez realizada la conexión de Arduino-Labview se fue tomando datos a diferentes pesos para generar una ecuación y poder representar en Labview la equivalencia en litros de agua.
Los resultados obtenidos indican que el acondicionamiento es el correcto puesto que el error es de entre el volumen real y el volumen obtenido, un error aceptable, que se puede asumir que la linealización realizada fue la correcta. Un detalle a tomar en cuenta es el cero de la báscula de una botella de plástico bacía puesto que si no se considera el valor acondicionado varía en un orden mayor.
10.
Recomendaciones
Hacer el diseño en base a las características técnicas del sensor.
Emplear un amplificador adecuado para la instrumentación con el fin de obtener resultados más fiables.
Considerar tolerancias en las resistencias y offset del amplificador para reducir los errores.
11.
Bibliografía
•Sensing. (2017). Sensores-de-medida.es. Retrieved 12 November 2017, from http://www.sensores-de-medida.es/sensing_sl/SENSORES-YTRANSDUCTORES_35/Células-de-carga---Sensores-de-fuerza_69/Células-de-carga-atracción_75/ •Chávez, A. (2008). Sensores analógicos uti lizados en la Automatización Industrial. Eie.ucr.ac.cr. Retrieved 12 November 2017, from http://eie.ucr.ac.cr/uploads/file/proybach/pb_08_II/pb0811t.pdf •HeTPro, S. (2017). Sensor de presión fuerza MF01. HeTPro. Retrieved 12 November 2017, from https://hetpro-store.com/sensor-de-presion-fuerza-mf01/
•Electronics, I. (2017). SENSORES : Celda de carga 5Kg. Didacticaselectronicas.com. Retrieved 12 November 2017, from http://www.didacticaselectronicas.com/index.php/sensores/celda-de-carga-5kg-detail •Amplificador de instrumentacion AD620. (2017). Electronicos Caldas. Retrieved 12 November 2017, from http://www.electronicoscaldas.com/amplificadores-deinstrumentacion/406-amplificador-de-instrumentacion-ad620.html
12.
Anexos ANEXO 1: Implementación de VI
ANEXO 2: Grupo de Trabajo
ANEXO 3: Medición en la báscula
ANEXO 4: Medición en la báscula y VI
