trabajo colaborativo 3 de instrumentacion y mediciones
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Trabajo Colaborativo 3 de Instrumentacion y MedicionesTRANSCRIPT
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INTRODUCCION
En el presente trabajo se implementa una aplicacin del puente de Wheatstone
para el diseo de una bscula electrnica utilizando un transductor (galgas
extensiomtricas). Se describe el acontecimiento de la seal por la deformacin de
la galga, las diferentes etapas del circuito, el amplificador de instrumentacin, el
filtrado y conversin anloga digital. Se muestra la importancia de las galgas
extensiomtricas y las diferentes aplicaciones de este transductor en la industria.
El diseo de los sistemas de medida centra su atencin el tratamiento de las
seales o magnitudes de entrada. Los sensores y los transductores son parte
fundamental para cualquier sistema electrnico. Las galgas extensiomtricas son
dispositivos transductores pasivos que aplicados sobre algn material fijo o
elstico, permiten medir la fuerza ejercida sobre el a partir de la formacin
resultante. As, las fuerzas de comprensin o torsin, aplicadas sobre algn
material, generan deformaciones que son transmitidas a una galga
extensiomtrica, respondiendo esta con una variacin de su propia resistencia.
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Disear la etapa de entrada y acondicionamiento de seal para una bscula
electrnica
Se debe realizar la etapa de entrada de un equipo completo de instrumentacin, el
cual debe medir pesos entre 0 y 1000 gramos.
El equipo o bscula electrnica debe tener todos los componentes necesarios
para el buen funcionamiento del equipo:
Elementos de entrada: sensor y puente de Wheatstone.
Acondicionamiento de seales: Amplificador y conversor A/D
Fundamento de las Galgas extensiomtricas: Efecto piezoelctrico
Las galgas extensiomtricas se basan en la variacin de la resistencia de un
conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecnico. Este
efecto fue descubierto por Lord Kelvin en 1856. Si se considera un hilo metlico de
longitud l, seccin A y resistividad?, su resistencia elctrica R es:
=
(1.1)
Si se le somete a un esfuerzo en direccin longitudinal, cada una de las tres
magnitudes que intervienen en el valor de R experimenta un cambio y, por lo
tanto, R tambin cambia de la forma:
=
+
(1.2)
El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una pieza
unidimensional, siempre y cuando no se entre en la zona de fluencia (Figura 1),
viene dado por la ley de Hooke,
-
=
= =
(1.3)
Donde E es una constante del material, denominada mdulo de Young, s es la
tensin mecnica y es la deformacin unitaria. es adimensional, pero para
mayor claridad se suele dar en microdeformaciones (1 = 1
= 106 /). Si se considera ahora una pieza que adems de la longitud l tenga
una dimensin transversal t, resulta que como consecuencia de aplicar un
esfuerzo longitudinal no slo cambia l sino tambin lo hace t. La relacin entre
ambos cambios viene dada por la ley de Poisson, de la forma:
= /
/ (1.4)
Donde es el denominado coeficiente de Poisson. Su valor est entre 0 y 0.5,
siendo, por ejemplo, de 0.17 para la fundicin maleable, de 0.303 para el acero y
de 0.33 para el aluminio y el cobre. Obsrvese que para que se conservara
constante el volumen debera ser = 0.5.
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Diagrama de bloques:
Diagrama esquemtico:
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Puente de Wheatstone:
Cuando se utiliza un elemento resistivo con poca variacin, los cambios de voltaje
de un simple divisor de voltaje son mnimos e incluso pueden confundirse con
variaciones de la fuente de alimentacin (ruido); en estos casos se hace necesaria
la utilizacin de un circuito llamado puente de Wheatstone, el cual se muestra en
la Figura. Segn la Figura (b) En una de las ramas se coloca el elemento sensor
resistivo que en nuestro caso es la galga extensiomtrica, se ajusta el
potencimetro de manera que en estado de reposo de la galga el voltaje en a
sea exactamente la mitad de , la otra rama debe de ser un divisor de voltaje en
donde Vb sea tambin exactamente la mitad de ; el voltaje de inters se toma
de los puntos a y b que en estado de reposo de la galga ser 0 , cuando vara
la resistencia de sta, se presenta entonces un voltaje mayor o menor a cero
segn si aumenta o disminuye la resistencia respectivamente, y debido slo a la
variacin de la misma, este circuito permite pues inmunidad ante los cambios
(ruido) en la fuente de alimentacin y una mayor sensibilidad que se refleja en un
mejor control de la informacin proveniente del sensor.
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En la Figura (a), la resistencia 3 representa al transductor, y sufre una desviacin
segn un parmetro d, si 1 = 4 = 2, entonces:
3 = 2 (1+) (1.5)
La desviacin se causa por la respuesta del transductor que se modifican con la
seal de entrada.
El voltaje de salida es una medida de la desviacin d. La tensin es un
voltaje de circuito abierto, entonces:
= [2( 1 + )
2(1 + ) + 1
22 + 1
]
Y de esta manera:
= (1 / 2
1+2) (1.6)
Amplificador restador:
Para no provocar cadas indeseadas de voltaje ni extraer corriente del puente de
Wheatstone se emplea un operacional en configuracin de seguidor de voltaje, la
alta impedancia de entrada de stos permite extraer la informacin del voltaje sin
influir en el comportamiento del puente. Las seales del voltaje Va y el voltaje Vb
entran entonces en un amplificador restador con una ganancia mxima de voltaje
de 100 (ajustable). El voltaje del amplificador restador est determinado por la
siguiente ecuacin:
-
=
(1 2) (1.7)
Voltmetro luminoso:
La etapa de salida de nuestro sistema comprende dos secciones, un sistema
visual mediante LEDs y un despliegue del peso aplicado mediante un display LCD.
En el sistema visual mediante LEDs, prendern segn se vaya colocando peso
sobre la galga, teniendo 7 LEDs verdes indicando funcionamiento normal, 2
amarillos indicando que el peso se acerca al mximo soportado y uno rojo
indicando que se ha llegado al tope de medicin de la galga. Para esto se utiliza el
circuito integrado LM3914.
LM3914
El LM3914 es un circuito integrado monoltico que censa niveles analgicos de
voltaje y maneja 10 LEDs, resultando un visualizador grfico lineal, un simple pin
cambia la forma de visualizacin, de ir recorriendo un solo led o ir llenando una
barra de leds. La corriente que maneja los LEDs est regulada y programada para
evitar la necesidad de resistencias para cada uno de ellos.
El circuito tiene su propio ajuste de referencia para variar el rango de voltaje que
muestran los 10 leds, sta referencia es la que se usa para calibrar el sistema de
la galga. La Figura muestra el diagrama a bloques y la configuracin de pines del
LM3914.
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Convertidor Analgico/digital ADC0804:
El Circuito Integrado ADC0804 es un convertidor analgico/digital de 8 bits con
compatibilidad para Microprocesadores. Su funcionamiento se basa en la tcnica
de conversin por aproximaciones sucesivas. Posee lo necesario para
comportarse como un puerto de I/O de microprocesador directamente sin la
necesidad de lgica externa y puede funcionar tambin en corrimiento libre.
Emplearemos este integrado para digitalizar una seal analgica de voltaje
proveniente de la galga que variar de 0 a 5 V, por lo que la resolucin del ADC
ser:
o = 2= 256 ( ),
o =
21 =
5
255= 0.0196078 (Volts/LSB) (1.8)
La configuracin de pines y la aplicacin del ADC0804 se muestran en la Figura:
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La ecuacin que determina la frecuencia del reloj interno del ADC0804 es la
siguiente:
=1
1.1=
1
1.1(10)(150)= 606.06KHz (1.9)
En donde la red RC est conectada entre los pines 4 y 19 del ADC. Microprocesador ATMEL AT90S2313-10
El AT90S2313 consume baja potencia y posee un gran desempeo, tiene 2 k
bytes de memoria FLASH interna programable. El dispositivo est manufacturado
usando una tecnologa de alta densidad de memoria no voltil. Posee 128 bytes
de memoria RAM y 128 bytes de memoria EEPROM. La memoria FLASH interna
puede ser reprogramada por el mismo sistema o por cualquier programador
estndar de memorias de otras compaas. Combinando una CPU verstil de 8
bits con la memoria FLASH interna, el AT90S2313 es un poderoso
microcontrolador que provee soluciones de alta flexibilidad y bajo costo para
cualquier aplicacin de control embebido. El AT90S2313 provee los siguientes
estndares: 2K bytes de memoria FLASH, 15 lneas de entrada salida I/O
programables, funcin perro guardin, apuntadores de datos, un
contador/temporizador de 16 bits, otro ms de 8 bits, una arquitectura de
interrupciones de seis vectores dos niveles, un puerto serial Full Dplex, oscilador
interno, y circuito de reloj. Adems el AT90S2313 est diseado con lgica
esttica para operar en dos modos de operacin elegibles.
El modo IDLE detiene el CPU mientras permite a la RAM, a los
contadores/temporizadores, al puerto serial y al sistema de interrupciones,
continuar con su funcionamiento. El modo de descanso guarda el contenido de la
RAM y deshabilita todas las dems funciones del chip hasta que se presente una
interrupcin o se resete la unidad.
Caractersticas:
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Emplea arquitectura RISC
32 x 8 registros generales 2 K Bytes de In-System
Programable (ISP) Flash Memory
128 bytes de SRAM
128 bytes de EEPROM programable
Duracin: 1000 ciclos de Lectura/Escritura
Rango de operacin de 4.0 V a 6 V.
Operacin de 0 Hz a 10 MHz
Tres niveles de proteccin de la Memoria
Comparador Anlogo Interno
Tecnologa de proceso CMOS de alta velocidad y bajo consumo de potencia.
Un contador/temporizador de 16 bits.
Un contador/temporizador de 8 bits.
Comunicacin Full Dplex UART Serial
Modos de operacin: Low-power Idle y Power-down.
Reanudacin de trabajo mediante interrupciones.
15 lneas de I/O programables.
Tiempo de programacin rpido.
Programacin ISP flexible
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Display LCD:
La visualizacin de la informacin se realiz con una pantalla LCD 2 x 16 que usa
un controlador estndar HD44780. Enseguida se muestra una imagen de esta
LCD y su respectiva configuracin de pines.
Obtencin del modelo matemtico del comportamiento de la galga:
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Debido a que el comportamiento de nuestra galga al ir colocando pesos en ella no
es totalmente lineal, como se puede observar en la Figura 10 (a), es necesaria la
obtencin matemtica experimental de dicho comportamiento, para hacerlo, se
colocaron pesos de 5 en 5 gramos y se midi el voltaje que se presenta a la salida
del amplificador restador. Se repiti esta labor 10 veces para obtener mejores
resultados, hecho esto se convirtieron los valores de voltaje a la palabra digital
equivalente entregada por el ADC0804, la Tabla 1 muestra un resumen del
procedimiento.
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Necesitamos conocer el valor numrico de un peso colocado en la galga en
funcin de la entrada digital que recibe el Microprocesador. Como podemos
observar en la Figura 10 (b) existe una no linealidad marcada para valores de la
palabra digital menores a 25 (correspondiente aproximadamente a 20 gramos),
entonces para tener un mejor modelado dividimos los datos en dos grupos, uno
cuando la entrada digital es menor a 25 (grupo A) y otro cuando es mayor a 25 (el
mximo permitido es 255 que equivale a 100 gramos) que llamaremos grupo B.
Las Figura 11 presenta sta divisin y las lneas de tendencia y ecuaciones que
representan a cada grupo de datos, cabe hacer notar que para el grupo A, la
ecuacin ms propia es una cbica y para el grupo B es una lnea recta.
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Las ecuaciones son:
GRUPO A:
= 0.00193 0.12 + 2.0263 0.0682 (1.10)
GRUPO B:
= 0.3589 +6.6144 (1.11)
Donde W es el peso en gramos y P es el valor decimal de la palabra digital. Estas
ecuaciones son el modelo que andbamos buscando, en donde la ecuacin (1.10)
es para cuando la palabra digital es menor a 25 (valor decimal) y (1.11) lo es
cuando es mayor a 25.
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El diagrama de flujo del algoritmo se muestra en la Figura
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CONCLUCIONES
A travs del desarrollo de este trabajo, se puso en prctica los diversos
conocimientos adquiridos del curos Instrumentacin y Mediciones.
Se logr profundizar los conocimientos en torno a las galgas
extensiomtricas y a lo que se refiere el puente de Wheatstone.
En primera medida, como sensor inicial, utilizamos la galga para generar un
cambio de en el valor de la resistencia la cual nos generara una variabilidad
de datos en el sistema de visualizacin, esta galga para la simulacin se
encuentra representada con una resistencia variable tal como un
potencimetro, lo cual genera un cambio variable de voltaje en la salida.
Los amplificadores operacionales en sus configuraciones bsicas
(inversora, no inversora, amplificadora, conversor de corriente a voltaje,
etc.), son usados para garantizar que al conversor A/D le sea suministrado
el rango mximo de voltaje y as el mismo pueda dar el mayor nmero de
combinaciones posibles.
La finalidad del uso del conversor A/D, se define como un dispositivo
electrnico el cual convierte la seal elctrica continua que se genera desde
el puente de Wheatstone y los amplificadores y la convierte en un cdigo
digital equivalente para el muestreo.
Se puede evidenciar por medio de un video y simulaciones paso a paso el
desarrollo de este ejercicio planteado por la gua de actividades.
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Cabe concluir, que con el problema planteado y desarrollado, se obtuvo una
mejor comprensin en el momento de realizarlo.