INTRUMENTACION TEMA 6: EVALUACION FINAL DISEÑO DE UN SISTEMA DE INSTRUMENTACION CON VISUALIZACION DIGITAL
PRESENTADO POR: EDWIN MAURICIO CASTILLO GARZON
INTRODUCCION El siguiente informe muestra la integración del desarrollo de cada uno de los elementos que componen un sistema de instrumentación con visualización digital y que fueron desarrollados paso a paso de acuerdo al avance en cada una de las fases y al contenido en estas el cual fue producto de la participación y la consolidación de cada uno de los aportes que fueron resultado de la crítica constructiva con el fin de obtener el producto esperado.
OBJETIVOS
Emplear el conocimiento del curso de instrumentación en la construcción de un sistema de instrumentación con visualización digital, el cual debe ser sustentado en cada una de sus etapas de linealización y acondicionamiento de la señal. Implementación del puente de Wheatstone, para el elemento piezo resistivo o galga extensiométrica “celda de carga” que nos permita obtener la señal de peso. Linealización y acondicionamiento de la señal, mediante el uso de un amplificador de instrumentación. Implementación de la etapa de filtrado y refuerzo de la señal final obtenida Uso del converso análogo digital para la señal de peso Visualización de la señal en un dispositivo lcd, controlado por un microcontrolador.
JUSTIFICACION Descripción del Problema Se debe realizar un equipo completo de instrumentación, el cual debe medir pesos entre 0 y 1000 gramos. El equipo o báscula electrónica debe tener todos los componentes necesarios para el buen funcionamiento del equipo: -
Elementos de entrada: Sensor y puente de Wheatstone. Acondicionamiento de señales: Amplificador y conversor A/D Salida: Display digital o analógico
Galga Extensiométrica: Es de efecto Piezorresistivo, la galga extensiométrica es un sensor que mide la deformación, presión, carga, torque, posición entre otros. Principios de funcionamiento de las galgas extensiométrica Cuando se aplica una fuerza externa a un objeto estacionario, se produce tensión y estrés sobre él. El estrés se define como las fuerzas internas de resistencia del objeto, y la tensión se define como el desplazamiento y la deformación que se producen. Las galgas extensiométrica son una de las herramientas más importantes en la técnica aplicada de medición eléctrica de magnitudes mecánicas. Como su nombre indica, se utiliza para la medición de tensiones. "Tensión" como término técnico consiste en la deformación por tracción y compresión, que se distingue por un signo positivo o negativo. Por lo tanto, las galgas extensiométrica se pueden utilizar para medir la expansión y la contracción.
Fundamentos de las galgas extensiométricas En términos matemáticos podemos definir Strain como la fracción en la variación de la longitud, como se muestra en la figura. Éste parámetro puede ser positivo (Tensión) o negativo (Compresión) Entonces podemos decir que el elemento sensor en sí es una galga extensiométrica, que consisten en una capa aislante, la cual se denomina soporte, a ésta se une una rejilla de medida, éstas a su vez se unen al elemento de muelle un puntos apropiados, generalmente se usan cuatro galgas, y se instalan de modo que, al emplear una fuerza, dos de ellas se estiren y las otras dos se compriman. Las cuatro galgas extensiométricas se conectan entre sí formando un Puente de Wheatstone.
Elemento de resorte
La fuerza a medir causa una deformación en el elemento de resorte. Los medidores de tensión convierten esta en cambios en la resistencia
Los cambios mínimos en la resistencia pueden medirse como voltaje eléctrico con la ayuda del puente de Wheatstone.
El puente de Wheatstone se alimenta de una tensión de excitación, cuando las cuatro resistencias son diferentes se produce una tensión de salida, la señal de salida depende de los cambios en la resistencia de las galgas extensiométricas y, por lo tanto, depende directamente de la fuerza aplicada.
Galga extensiométrica Las galgas extensiométrica o también denominada strain gauges son sensores resistivos muy utilizados en la medida de esfuerzos mecánicos en materiales en los que la resistencia efectiva entres sus extremos se modifica con el esfuerzo aplicado sobre la galga. En otras palabras La tensión es la cantidad de deformación de un cuerpo debido a la acción de una fuerza aplicada. Más específicamente, la tensión (e) se define como el cambio fraccional en longitud, como se muestra en la Figura 1. Por tanto, la tensión experimentada por el espécimen de prueba se transfiere directamente a la galga extensiométrica, la cual responde mediante un cambio lineal en la resistencia eléctrica.
Las galgas extensiométrica están disponibles comercialmente con valores nominales de resistencia desde 30 hasta 3000 Ω, siendo 120, 350 y 1000 Ω los valores más frecuentes.
A continuación adjunto dos configuraciones para con el puente whestone
DESCRIPCION
Cuando utilizamos un elemento resistivo con poca variación los cambios de voltaje de un simple divisor de voltaje son mínimos e incluso pueden confundirse con variaciones de la fuente de alimentación como ruido en estos casos se hace necesaria la utilización de un circuito llamado puente de Wheatstone, El elemento sensor resistivo que en nuestro caso es la galga extensiométrica, se ajusta el potenciómetro de manera que en estado de reposo de la galga el voltaje en a sea exactamente la mitad de Vcc y la otra rama debe de ser un divisor de voltaje de donde Vb sea también exactamente la mitad de Vcc El voltaje de interés se toma de los puntos a y b que en estado de reposo de la galga será 0 V cuando varía la resistencia de ésta se presenta entonces un voltaje Vab mayor o menor a cero según si aumenta o disminuye la resistencia respectivamente y debido sólo a su variación de la misma
El circuito permite pues inmunidad ante los cambios (ruido) en la fuente de alimentación y una mayor sensibilidad que se refleja en un mejor control de la información proveniente del sensor
Ahora una vez tenemos la señal obtenida de la celda de carga, esta es llevada al amplificador de instrumentación AD620, el cual linealiza y acondiciona la señal a un nivel de tensión que permitirá trabajarla con el conversor análogo a digital, pero antes de esto esta debe pasar por una etapa de filtrado para tal caso se implementó un filtro RC, el cual seguido de este viene un amplificador operacional el LM324N el cual es configurado como un seguidor para reforzar la señal que va hacia el conversor A/D, una vez llegamos al microcontrolador, tomamos la señal proveniente del seguidor, es muestreado y por medio de programación acondicionada nuevamente para obtener el dato digital y ser proyectado en la pantalla LCD.
HERRAMIENTAS PARA IMPLEMENTAR EL PROYECTO HARDWARE
Galga extenciometrica x 1 Amlpificador de instrumentación AD620 x 1 Operacional LM324N x 1 Microcontrolador pic16f876a x 1 Pantalla LCD 2x16 x 1 Fuente de 5 vcc R1K x 4 C10uf x 1
SOFTWARE Para la simulación del sistema se utiliza el Proteus 8.0 Para la programación del micro de usa el PROTON IDE 3.6 Código del programa del microcontrolador. ;-----------------------------------------------------------------------------;**** Added by Fuse Configurator **** ; Use the Fuse Configurator plug-in to change these settings ' Device = 16F876A Xtal 4Mhz Config FOSC_HS, WDTE_OFF, PWRTE_OFF, BOREN_OFF, LVP_OFF, CPD_OFF, WRT_OFF, DEBUG_OFF, CP_ON ' ;**** End of Fuse Configurator Settings **** ' ' configuro la lcd y los ptos del pic para la com con la pantalla '--------------------------------------Declare LCD_Type 0 'ldc alphanumerica Declare LCD_Lines 4 'lcd de 4 lineas Declare LCD_DTPin PORTB.0 'V1-PORTC.0 Declare LCD_RSPin PORTB.5 'V1-PORTA.2 Declare LCD_ENPin PORTB.4 'V1-PORTA.3 Declare LCD_Interface 4 'solo usa 4 lineas del bus de com de datos del la lcd ' ' DECLARACION DE VARIABLES '--------------------------------
Dim Temp As Word Dim peso As Word Dim CONT_AD As Byte 'VARIABLE QUE DEFINE LOS TIEMPO DE CONVERSION Dim xn As Byte 'VARIABLE USADA PARA LOS FOR NEX Dim Temp_aux As Word ' ' 'DEFINO TODAS LA BANDERAS QUE SE NECESITAN '----------------------------------------' 'DEFINICION POR NOMBRE PARA PINES DE SALIDA '------------------------------------------Symbol BLIGHT=PORTC.5 'OK LUZ DE LA PANTALLA - V2Esquematico:BLIGHT 'V1-PORTA.1-Esquematico:BLIGHT 'LUZ DE LA PANTALLA ' ' INICIO DE PUERTOS '-----------------------------' PORTC=0 TRISC.0=0 ' TRISC.1=1 ' TRISC.2=0 ' TRISC.3=0 ' ............VACIO TRISC.4=0 ' TRISC.5=0 ' BACKLIGHT TRISC.6=0 ' TRISC.7=1 ' ' PORTB=0 '76543210 TRISB= %00000000 ' PORTA=0 TRISA.0=1 'ENTRADA ANALOGA TEMP TRISA.1=0 'LED HORNEANDO TRISA.2=0 'LED DIFUSOR TRISA.3=0 'LED GIRO TRISA.4=1 'antes "LED AGUA" se configura como entrada y se saca de uso por presentar problemas con el on/off TRISA.5=0 'LED LAMPARA ' ' limpio variables '-----------------------peso=0 ' ' 'CONFIGURACION PUERTO ANALOGO '----------------------------' 76543210 ADCON0 =%01000010 'las tres primeras como analogas ADCON1 =%10001110 'las tres primeras como analogas ' Cls ' DelayMS 10'0 ' ' limpia salidas y variables
'----------------------------DelayMS 10'00 Cls 'apago pantalla y limpio caracteres BLIGHT=0 ' ' ' sato a la RUTINA PRINCIPAL '---------------------------' GoTo INICIO ' ' RUTINA PRINCIPAL DE EJECUCION DE LAS SUBRUTINAS DEL PROGRAMA '>>>............>>>.............>>>.............>>>........... ' INICIO: ' GoSub CONVERSION_AD 'conversor AD ' GoSub PANTALLA 'ACTUALIZA LOS DATOS EN PANTALLA. usado para refrescar en caso de presentarsen inciertos. ' GoTo INICIO ' ' '========SUBRUTINAS====== '------------------------' ' CONVERSION_AD: CONT_AD = CONT_AD + 1 'cuando cumple conteo, ingresa a rutina de conversion. If CONT_AD = 5 Then peso=0 For xn=0 To 59 Step 1 'paso usado para reducir la oscilacion en la lectura Temp_aux= ADIn 0 'ADQUIERO DATO DE conversor analogo digital pin 876a AN0 DelayMS 1 peso= peso + Temp_aux Next Temp_aux=(peso/61) ' 41 valor anterior peso = Temp_aux CONT_AD=0 EndIf ' ' ' usado para refrescar la pantalla durante la operacion. ' -----------------------------------------------------PANTALLA: Print At 1,1," INSTRUMENTACION" DelayMS 10 Print At 2,1,"BASCULA DE 0-1000Gr" DelayMS 10 Print At 3,1,"PESO: ",Dec3 peso," Gramos" DelayMS 10 ' Print At 4,1,"" ' DelayMS 10 Return
FASES O ETAPAS DEL PROYECTO
Fase 1: Identificación de la necesidad: Con el pasar del tiempo, los procesos cada vez son más exigentes, en su evolución, la medición y la precisión en estas son requerimientos ineludibles y los procesos de alto riesgo dependen de la fiabilidad de los sistemas de instrumentación que garanticen confiabilidad y respaldo. Fase 2: Diseño teórico: Diseño en papel, cálculos, circuitos. Apropiar el contenido del curso, revisando sus diferentes temas, mapas conceptuales, unidades y material bibliográfico para consulta y desarrollo del curso.
Diseño e implementación del proyecto para instrumentación, en el cual se debe utilizar como insumo para la construcción de este, el conocimiento adquirido a lo largo del curso, se desarrollan cada una de las fases de investigación de manera individual y después de forma colaborativa se debate y se realizan criticas constructiva para obtener el resultado esperado en cada fase de aprendizaje que servirá para la construcción del proyecto. Adoptar en la primera fase los conceptos de medición e instrumentación y llevar a cabo la realización de un instrumenta de medida análogo, el cual será una de las bases para el desarrollo del proyecto.
CONOCER LOS PUENTES DE MEDICION AD/CD: Conocer sobre los diferentes puentes de medición, sus aplicaciones, conocer sus características prácticas y analizar las desviaciones de los resultados de las mediciones. Principalmente se realiza un enfoque sobre el puente de Wheatstone, este es utilizado en la construcción del sistema de instrumentación con visualización digital. Así el puente de Wheatstone se utiliza para medir el valor de componentes pasivos como las resistencias. Un circuito de Wheatstone se puede conectar a cualquier voltaje en corriente directa, una de las recomendaciones es no utilizar más de 12 voltios.
SISTEMAS DE ADQUISICION DE DATOS: Adquirir el conocimiento sobre los sistemas de adquisición de datos, que permitan realizar la conversión de una señal análoga en una señal digital, que posteriormente permitirá ser visualizada y tratada según sea necesario. Podremos medir la variable física “peso” por medio de una celda de carga industrial que será el elemento que medirá dicha variable, este elemento tiene internamente un puente de Wheatstone equilibrado y compensado con inductancias para minimizar efectos de pérdidas por distancias de cableado y una galga extensiométrica que es la cambia de impedancia al medir la deflexión sobre su superficie. Por lo tanto en el presente trabajo se muestra la elaboración de una báscula electrónica de 0 a 1000 gramos, con una entrada de Puente Wheaststone, pasando por amplificadores, el microprocesador y mediante un display LCD que mostrará el valor del peso en gramos.
INTERFERENCIAS ELECTROMAGNETICAS: Se realiza la investigación y los respectivos análisis a los diferentes tipos de afectación en las medidas por las interferencias electromagnéticas y se aplican las diferentes soluciones o medidas para contrarrestar dichas interferencias es nuestro sistema. Se adquieren los conocimientos en la parte de la instrumentación de los equipos de medición y sus distintas funciones, para qué sirven y como se deben maniobrar. Se logra el entendimiento de las señales su análisis desde la aplicación o teoría de las emisiones electromagnéticas y su afectación en los equipos electrónicos y de los sistemas de telecomunicaciones, implementación se los sistemas de puesta a tierra, la instalación de sistemas de cableado estructurado.
SUSTENTACION DEL SISTEMA DE INSTRUMENTACION: Se ejecuta el sistema de instrumentación con visualización digital, poniendo a prueba su funcionamiento y realizando la explicación del mismo, se explica técnicamente la primera etapa donde se manifiesta la señal análoga proveniente de la galga extensiométrica, los cálculos que respaldan las señales allí manifestada y el posterior acondicionamiento y linealización de la señal hasta su conversión de análoga a digital y la visualización en la pantalla LCD.
Fase 3: Simulación: Se utiliza una herramienta informática para realizar el diseño y comprobar su funcionamiento. Se utiliza el Proteus para diseñar y simular, y la programación del microcontrolador se realiza en proton, el cual permite cargar el .hex para la simulación completa en Proteus.
Fase 4: Diseño Práctico: Se realiza el montaje con elementos reales. En esta etapa se realiza las consultas de las fichas técnicas de los elementos en sus respectivos datasheet ofrecidos por cada uno de los fabricantes, y se tiene en cuenta las corrientes y tensiones de funcionamiento, configuraciones, aplicaciones, puesta a tierra y demás temas referentes a protección contra ruido y demás interferencias electromagnéticas.
Fase 5: Control de calidad: Se realizan pruebas del diseño, en esta fase se pueden implementar mejoras en el diseño. Se ejecuta el sistema de instrumentación con visualización digital, poniendo a prueba su funcionamiento y realizando la explicación del mismo, se explica técnicamente la primera etapa donde se manifiesta la señal análoga proveniente de la galga extensiométrica, los cálculos que respaldan las señales allí manifestada y el posterior acondicionamiento y linealización de la señal hasta su conversión de análoga a digital y la visualización en la pantalla LCD.
CONCLUSIONES
Se pone en práctica el conocimiento sobre las mediciones, los sistemas que realizan dichas medidas, lo que permite terminar de apropiar el conocimiento gracias al componente práctico del curso.
Se comprenden las afectaciones que tienen las interferencia electromagnéticas en los sistemas de instrumentación, que pueden afectar las medidas o incluso dañar los equipos.
BILBIOGRAFIA
Ortegon Jairo. (2009). Módulo: “Instrumentación y Mediciones”. UNAD. http://datateca.unad.edu.co/contenidos/201455/Instrumentacion_AVA/20 1455.pdf Pérez, G. A. (2009). Curso de instrumentación. Instituto Tecnológico de San Luis Potosi. México. http://galia.fc.uaslp.mx/~cantocar/alfonso_perez_garcia/instrumentacion/ texto/INSTRU.pdf Diseño, modelamiento y construcción de una balanza electrónica. Consultado el 22 de abril de 2015, recuperado de : http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/34/8/Capitulo2.pdf Datasheet amplificador de instrumentación. 2003-2011 Recuperado de: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/AD620.pdf
