Instrumentación 1 Caudalímetro

A medición do caudal subministrado á escala de peixes foi realizada mediante un caudalímetro electromagnético bidireccional da gama MagMaster do tipo tubería completa de ABB Instrumentation. O caudalímetro está situado sobre o ramal da tubería de subministro nun tramo recto, a unha distancia da bifurcación (> 5 veces o diámetro da tubería) que permite unha operatividade óptima, e augas abaixo da válvula motorizada de bolboreta (Figura 3.4b).

O principio de funcionamento dos caudalímetros electromagnéticos consiste en crear un campo magnético uniforme perpendicular á dirección do fluxo, o que provoca unha forza electromotriz inducida. Un par de electrodos colocados sobre as paredes internas da tubería cuantifican a diferencia de potencial causada pola forza electromotriz inducida. Esta forza electromotriz será proporcional ó caudal que discorre pola tubería. O funcionamento deste tipo de caudalímetro é incondicionalmente seguro acadando

precisións da orde de ±0.15% sobre a medida, se se atenden certas normas de

colocación e se a tubería esta chea de líquido que é a situación normal de uso no laboratorio.

O sensor do caudalímetro electromagnético está conectado ó software de control do Laboratorio de Hidráulica de forma que a lectura do caudal pódese facer a tempo real dende o sistema informatizado de control do circuíto hidráulico. Dende o sistema informatizado tamén se pode realizar a adquisición de datos do caudal subministrado elixindo a frecuencia e o tempo de duración da gravación (habitualmente f=1 Hz durante un período de T= 600 seg).

Capítulo 3

3.12

O formato dos arquivos adquiridos é o seguinte (CAUDAL2, identifica o ramal da tubería de subministro utilizado): fecha/hora ;CAUDAL2; 19/02/2002 12:58:10; 65; 19/02/2002 12:58:11; 65; 19/02/2002 12:58:12; 65; 19/02/2002 12:58:13; 64; 19/02/2002 12:58:14; 64; 19/02/2002 12:58:15; 65; 19/02/2002 12:58:16; 65; 19/02/2002 12:58:17; 65; 19/02/2002 12:58:18; 65; 19/02/2002 12:58:19; 65; 19/02/2002 12:58:20; 65;

estes arquivos son importados a unha folla de cálculo (Excel) onde son calculadas os valores promedio.

3.2.3.2 Sensor de calado

A medición da altura da lámina libre da auga nas piscinas realizouse mediante o sistema DHI Wave Meter 102E do Danish Hydraulic Institute. O sistema consta das seguinte partes:

o Sensor de calado propiamente dito, (Wave Gauge Type 202) (Figura 3.10)

o Módulo de acondicionamento e amplificación do sinal (Wave Meter conditioning

module Type 102E)

o Cable de conexión entre o sensor e o módulo de acondicionamento (Cable Type

252)

o Carcasa para aloxar ata 8 módulos (Cabinet Type 101E)

O principio de funcionamento do DHI Wave Meter é medir a conductividade entre dous electrodos paralelos parcialmente inmersos na auga. O sensor de calado consta de dúas varas paralelas de aceiro inoxidable que funcionan a modo de electrodos; ó somerxelos nun fluído é cuantificada a conductividade do volume de auga presente entre os dous electrodos. A conductividade varía proporcionalmente ós cambios do volume de auga entre os electrodos, é dicir, é proporcional á altura da superficie libre da auga. Como a conductividade da auga depende entre outros factores da temperatura e da salinidade, o sensor de calado posúe un conxunto de electrodos de compensación (na parte inferior dos electrodos porque deben estar sempre somerxidos) que recollen a influencia dos posibles cambios nestes parámetros.

Planeamento e Metodoloxía Experimental

3.13 A conductividade, G, entre dous electrodos paralelos é:

(

D d

)

l H G 2 ln π = ;

sendo H, a conductividade específica da auga (mS/cm), l, a lonxitude dos electrodos

inmersa na auga (cm), d, o diámetro dos electrodos (mm), e D, a distancia entre

electrodos (mm). Nomeando con G1 e G2 á conductividade entre os electrodos de medida

e a conductividade entre os electrodos de compensación respectivamente, o voltaxe de

saída Vo (voltios) pode ser expresado como:

(

2

)

1 1/G G k

V_o = ;

sendo k (voltios) a constante de proporcionalidade derivada do proceso de calibración.

O proceso de calibración axusta o rango do sinal de saída (-5 a +5 voltios) á amplitude esperada das variacións de nivel. O proceso de calibración debe realizarse “in situ” antes de cada ensaio e repetirse periodicamente, para tal fin conectase o sensor de calado propiamente dito ó módulo de acondicionamento e faise unha lectura do voltaxe de saída. No noso caso calibrouse o sensor de forma que se maximizara a amplitude de calados a medir (70 cm), axustando o cero de voltaxe (0 voltios) na metade dos electrodos de medida (a 35 cm de cada extremo). Establecéndose a ganancia de forma que unha voltaxe de +5 correspondese coas varas metálicas totalmente somerxidas, e unha voltaxe de –5 voltios obteríase cando o sensor estivese totalmente fora da auga.

Así a altura da lámina libre de auga respecto da soleira, h (cm), viría dada pola

expresión:

(

Vo

)

ho

h= 7 +35 + ;

sendo ho a distancia dende o extremo inferior dos electrodos de medida ata a soleira da

escala. A resolución do sensor de calado é <1 mm. 3.2.3.3 Velocímetro

Utilizouse para cuantificar as velocidades existentes no fluxo, un velocímetro da marca Sontek, o MicroADV (Micro Acoustic Doppler Velocimeter) baseado no efecto Doppler (Figura 3.11a). Dúas características importantes como son a alta precisión de medida e a escasa distorsión no campo de velocidades converten nunha ferramenta moi útil para este traballo experimental. O MicroADV ou velocímetro ADV permítenos a medición do vector velocidade (nas súas tres compoñentes espaciais) con precisións de ata 0.1 cm/s para unha frecuencia máxima de 50 Hz.

Este sistema consta de tres partes diferenciadas: o módulo acondicionador unido solidariamente o sensor propiamente dito, a tarxeta co circuíto impreso instalable nun Pc, e o software de control.

O sensor (o emisor e os tres receptores) está unido lateralmente sobre unha barra ríxida de 25 cm de lonxitude. O volume de control, esto é, a posición onde se está avaliando o vector velocidade está encóntranse a aproximadamente 5 cm do emisor (xirado 90º en relación á vertical). As tres compoñentes espaciais do vector velocidad son referidas ós eixes cartesianos definidos pola xeometría do sensor.

A tarxeta de adquisición ADVLab realiza arredor de 80-250 estimacións internas da velocidade por segundo (ping). De estas estimacións da velocidade, faise un valor promedio que constituirá o dato de saída (sample). A máxima frecuencia dos valores promediados de saída é 50 Hz, así para frecuencias baixas o valor resultante provirá dun maior número de estimacións, e para frecuencias altas o valor estará máis próximo ás

Capítulo 3

3.14

velocidades instantáneas. Seguindo o mesmo proceso, o ADVLab proporciónanos

ademais das tres velocidades (Vx, Vy, e Vz), as tres desviacións (σx, σy, σz) os tres valores

da intensidade da sinal (SNR, signal to noise ratio) e tres valores de correlación. Estes

últimos parámetros, correlación e intensidade da sinal, reflicten a calidade dos datos obtidos recomendándose valores superiores a 15 dB e entre 70%-100% respectivamente.

a) b)

Figura 3.11. a) Velocímetro MicroADV (Micro Acoustic Doppler Velocimeter); b) software de adquisición do velocímetro ADV: Micro ADV Data Acquisition System v 5.4.

O software de adquisición é o Mircro ADV Data Acquisition System V. 5.4 de Sontek (Figura 3.11). Neste software que se executa baixo MS-DOS, o usuario debe definir unha serie de parámetros como son a temperatura da auga e a salinidade que influirán sobre a velocidade do son na auga. Outras opcións a elixir son a estratexia temporal de adquisición (continua) e o sistema de unidades (métrico, cm/s). Sen embargo, os parámetros máis importantes son a frecuencia de adquisición de datos e o rango de

velocidades, a elección que será xustificada máis adiante, foi de 30 Hz e ±250 cm/s. A

elección de 30 Hz, corresponde á frecuencia de lectura que realiza o Micro ADV Data Acquisitions System que é o dobre da frecuencia de gravación de datos desta primeira fase experimental (15 Hz). As velocidades máximas que poden ser medidas para o rango

de ±250 cm/s son: ±360 cm/s para unha velocidade puramente horizontal e ±90 cm/s para

un velocidade con compoñente exclusivamente vertical.

O arquivo de saída posúe un formato compacto (ficheiros binarios con extensión .adv) que no pode ser directamente lido senón que deberá realizarse un proceso de extracción dos datos (getvel.exe, getamp.exe, getcor.exe, getsnr.exe) a ficheiros ASCII para que podan ser posteriormente analizados. Sen embargo, este non é proceso habitual de toma de datos, segundo relataremos no epígrafe de adquisición de datos.

3.2.3.4 Sistema de posicionamento cartesiano

Denominamos sistema de posicionamento cartesiano a unha máquina-ferramenta que nos posibilita a localización automatizada do instrumental de medida en calquera punto do volume de traballo. Este sistema consta de tres partes diferenciadas:

o Bastidor robotizado, (Figura 3.12) consta de un bastidor metálico rectangular (1950

x 1840 mm) da marca Rolipsa e dous motores eléctricos (tipo BLS-112A de Mavilor Motors). Os lados curtos do bastidor metálico rectangular funcionan a modo de raís sobre os que se despraza, paralelamente a eles, un brazo móbil unido por unha cinta transmisora á un dos motores. Sobre este brazo móbil e mediante a acción doutro motor eléctrico desprázase un carro portante, perpendicularmente ó movemento do brazo móbil. Unido ó carro portante mediante unha peza metálica especial está a barra soporte, sobre esta barra cilíndrica de aceiro galvanizado será onde se instale

Planeamento e Metodoloxía Experimental

3.15 a instrumentación de medida. A peza metálica de unión entre o carro portante e a barra soporte, permite o desprazamento vertical desta última así como a variación do ángulo que forma coa soleira, de tal forma que se poda situar sempre achumbada sexa cal fose a pendente ou inclinación do bastidor. A suxeición da instrumentación de medida (velocímetro e sensor de calados) faise mediante pezas de nailon especificamente deseñadas.

Figura 3.12. Bastidor robotizado do sistema de posicionamento cartesiano.

o Equipo de control numérico. (Figura 3.13a) A unidade de control de 2 eixes e 16

entradas/saídas é do tipo M.A.C.up (Multiuse Axis Control) subministrado por S.H. Enz, S.L., capaz de adaptarse a todas as posibilidades de implementación dos CNCs (Computer Numerical Control). O modelo do variador da velocidade é o SMT-BD1/m da marca Infranor. O CNC controla e xestiona a máquina-ferramenta, é dicir, realiza o movemento dos eixes dispoñibles (dous no noso caso) actuando sobre os motores eléctricos xestionando as velocidades e os desprazamentos en ditos eixes, e sincronizando as accións con eventos externos que marquen a cadencia da execución.

o Utilidades de comunicación. O control numérico (CNC) dispón dunha canle de

comunicación con ordenadores IBM-PC compatibles mediante o estándar RS232C. O paquete de comunicación MAC-DNC (Direct Numerical Control) que será instalado nun ordenador compatible para a súa execución baixo MS-DOS establece a posibilidade da edición, recepción e transmisión de programas para a súa execución pola unidade MACup. Mediante a utilización dun linguaxe de programación específico escríbense os programas (sucesión de comandos cunha certa sintaxe) no sistema Editor que definirán as coordenadas dos puntos, as velocidades, os tempos de permanencia e os percorridos. Este programa será máis tarde interpretado polo CNC e transformado nos movementos dos motores e por tanto dos eixes perpendiculares do sistema de posicionamento cartesiano.

Motores eléctricos

Bastidor metálico

Brazo móvil

Carro portante

Capítulo 3

3.16

a) b)

Figura 3.13. a) Equipo de control numérico M.A.C. up (Multiuse Axis Control). b) Sistema de posicionamento cartesiano, co bastidor robotizado situado sobre a piscina experimental, na parte inferior poden observarse as utilidades de comunicación.

A utilización do sistema de posicionamento cartesiano permite a localización do

instrumental de medida en calquera punto do plano horizontal existente baixo o bastidor

dunha forma automática, ademais ó poder deslizar a barra soporte verticalmente as posibilidades de localización son tridimensionais, en calquera punto do volume situado baixo o sistema.

Ligado á utilización do posicionador cartesiano encóntranse os sensores de posición que nos permitirán o coñecemento da localización da instrumentación de medida que sobre el se instalen.

3.2.3.5 Sensores de posición

Para poder rexistrar en cada momento as coordenadas do punto de medición co fin de procesar de maneira rigorosa os datos obtidos, colocáronse dous sensores de posición (Figura 3.14b) nos elementos móbiles do posicionador cartesiano. Un sensor de posición foi colocado sobre o bastidor e unido ó brazo móbil; e outro sensor foi disposto sobre o brazo móbil e unido ó carro de sustentación da barra soporte do instrumental. O sensores utilizados son WS10 Position Sensor da marca ASM (Automation Sensorik Messtechnik) cun rango de medida 0-1250 mm con saída analóxica en corrente (4-20 mA) e cunha

Planeamento e Metodoloxía Experimental

3.17

a) b)

Figura 3.14. a) Módulo de acondicionamento de sinais situado sobre os módulos de amplificación do sinal do sensor de calado (Wave Meter conditining module Type 102E). b) Esquema do sensor de posicións WS10 de ASM.

O principio de funcionamento consiste en trasladar un desprazamento lineal nun sinal eléctrico proporcional. O sensor consta dun cable metálico enrolado sobre un tambor, dito tambor móntase sobre un eixe que está tensionado por un resorte en espiral. O desprazamento do cable induce un xiro do tambor, este movemento rotatorio é convertido mediante un potenciómetro de precisión nunha sinal eléctrica proporcional. Está sinal é transportada ata o módulo de acondicionamento do sinal (Figura 3.14a) para posteriormente ser enviada ó programa informático centralizado de rexistro de datos.

3.2.3.6 Instrumentación complementaria

3.2.3.6.1 Módulo de acondicionamento do sinal

O módulo de acondicionamento do sinal (Figura 3.15) ten a misión de recoller os sinais procedentes de cada un dos instrumentos de medida para acondicionar as características electrónicas de ditos sinais é adapta-las conexións físicas para axeitalas ó dispositivo de adquisición. CH 5 CH 4 CH 3 R LOADC ACONDICIONAMIENTO SEÑAL / FRECUENCIA ENCODER ENCODER R SHUNT R SHUNT +12V Vz DIVISOR TENSIÓN R LOAD 1 CH 2 Vy Vx DIVISOR TENSIÓN DIVISOR TENSIÓN CH 1 CH 0 R LOAD 2 R LOAD 3 SO N T E K

Capítulo 3

3.18

Este módulo de transmisión foi realizado, en base ás especificacións técnicas da instrumentación utilizada, polo Servicio Electrónico de Apoio á Investigación (SEAI) do CITEEC, consta de:

o Fonte de alimentación: Transformador de corrente continua con regulador e

estabilizador electrónico.

o 4 Conexións de entrada:

§ Velocímetro, con tres sinais: Vx, Vy, Vz; cada un dos tres sinais é

acondicionado mediante un divisor de tensión específico.

§ Sensor de Calados, non precisa de ningunha transformación electrónica.

§ Sensores de posición (2), o sinal de entrada é en corrente (mA)

transformándose mediante dous potenciómetros (resistencias variables) multivolta a un sinal en voltaxe.

o Conector estándar I/O, recibe os sinais transformados e conéctaos co cable de

comunicación do dispositivo de adquisición.

3.2.3.6.2 Dispositivo de adquisición NI-DAQ

O dispositivo básico de recollida de datos experimentais é unha tarxeta de adquisición

de datos DAQCardTM-700 de National Instruments con entrada en voltaxe de ata 8 canais

diferenciais analóxicos cunha resolución de 12 bits e que pode mostrear os 8 canais a unha velocidade máxima de 100 KS/s. Este dispositivo de adquisición que realiza a conversión do sinal analóxico a dixital, foi instalada nun PC portátil mediante unha ranura PCMCIA Type II e conectado por medio de un cable de comunicación PR50-50F ó módulo de acondicionaemnto do sinal. Dous ordenadores portátiles (non simultaneamente) foron utilizados, un Compaq Armada 1575D e un Toshiba 400CDS.

3.2.3.6.3 Programa de adquisición

O software de adquisición de datos, VirtualBenchTM _{v. 2.1 (Figura 3.16), é unha}

aplicación de National Instruments especialmente deseñada para a comunicación cos dispositivos NI-DAQ; dentro desta aplicación utilízase o seu módulo VirtualBench Logger.

Unha vez conectados os sinais en voltaxe de entrada no dispositivo de adquisición NI- DAQ a través do módulo de acondicionamento do sinal, e recoñecido o dispositivo polo software de adquisición, precísanse definir os atributos de cada un dos 6 canais de entrada: canal asignado a cada sinal, denominación da variable, rango do sinal recibido e magnitude da variable. A Táboa 3.3 reproduce a configuración realizada:

Canal Variable Rango en Voltaxe Magnitude da Variable

0 Vx ±5 v. ±250 cm/s 1 Vy ±5 v. ±250 cm/s 2 Vz ±5 v. ±250 cm/s 3 X 1-5 v 0-400 cm 4 Y 1-5 v 0-125 cm 5 h ±5 v. 0-70 cm

In document TítuloEstudio hidráulico en modelo de escalas de peixes de fenda vertical de fenda profunda aliñadas: aproximación á avaliación experimental da enerxía cinética turbulenta (página 140-147)