UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA

(1)

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA

Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial

Diseño e implementación de sistema de caracterización de

células de carga con fines docentes

A

TRABAJO FIN DE GRADO

GRADO EN ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA

Autor: Joel A. Troconis Encinas

Directores: Joaquín Francisco Roca González Francisco José Ortiz Zaragoza

Cartagena, 03/2019

(2)

ii

Agradecimientos

A Francisco José Ortiz Zaragoza y Joaquín Francisco Roca González, por introducirme a este proyecto, ayuda y paciencia.

A mi familia, por su apoyo y animo que me han aportado estos años de la carrera, especialmente a mi madre que siempre ha sido un ejemplo de esfuerzo y determinación

Finalmente le agradezco a Dios por mis estudios en la UPCT y por todas las experiencias y personas que he conocido gracias a ellos.

(3)

iii

(4)

iv

Índice de Contenido

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ... 1

INTRODUCCIÓN ... 2

PLANTEAMIENTO INICIAL DEL PROYECTO ... 2

OBJETIVOS DEL PROYECTO ... 2

2. SISTEMAS DE PESAJE ... 4

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO ... 5

2.1.1 Galgas Extensiométricas ... 6

2.1.2 Parámetros de una galga ... 6

2.1.3 Factores para tener en cuenta en el empleo de galgas ... 7

APLICACIONES DE CÉLULAS DE CARGA... 7

2.2.1 Pesaje a bordo para vehículos industriales y agrícolas ... 7

2.2.2 Cintas transportadores y sistemas de dosificación. ... 7

2.2.3 Control de nivel en procesos industriales ... 8

2.2.4 Monitorización de efectos del viento en estructuras ... 8

2.2.5 Lisímetros ... 9

ESTRUCTURA GENERAL DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ... 9

2.3.1 Proceso de adquisición de datos ... 9

3. CARACTERIZACIÓN DE CÉLULA DE CARGA GENÉRICA ... 12

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN AD623ANZ ... 14

CÁLCULO DEL ERROR DEL SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 15

ESQUEMÁTICO DEL ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 17

CONVERSOR ANALÓGICO-DIGITAL HX711 ... 18

CÁLCULO DEL ERROR DEL SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO CON EL HX711 ... 18

CIRCUITO COMPLETO DEL ACONDICIONAMIENTO ... 20

PCB DEL CIRCUITO DEL ACONDICIONAMIENTO COMPLETO ... 21

ESTRUCTURA SOPORTE DE LA CÉLULA DE CARGA GENÉRICA ... 22

4. CARACTERIZACIÓN DE CÉLULAS DE CARGA INDUSTRIALES ... 25

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL CON RW-ST01A ... 28

CÁLCULO DEL ERROR DEL SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO CON EL RW-ST01A ... 29

5. SOFTWARE PARA ADQUISICIÓN DE DATOS Y CALIBRACIÓN ... 31

INSTALACIÓN DEL ARDUINO IDE ... 32

INSTALACIÓN DE LABVIEW ... 33

PROGRAMAR ARDUINO PARA CONVERTIRLO EN TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS (DAQ) ... 36

5.3.1 Ejemplos adicionales ... 40

5.3.2 Guardar datos en un archivo Excel ... 42

5.3.3 Controlar el brillo de un Led a través de una salida PWM ... 49

INTERFAZ DE CALIBRACIÓN PROFESIONAL PARA CÉLULAS DE CARGA CON ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO . ... 50

INTERFAZ DE CALIBRACIÓN PROFESIONAL PARA CÉLULAS DE CARGA CON ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO Y DIGITAL ... 58

INTERFAZ DE CALIBRACIÓN PROFESIONAL PARA CÉLULAS DE CARGA INDUSTRIALES ... 68

6. EXPERIENCIAS, RESULTADOS, PRESUPUESTO Y CONCLUSIONES ... 73

ERRORES ENCONTRADOS EN EL DISEÑO DEL ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 74

6.1.1 Eliminación de Offset ... 74

6.1.2 El efecto del ruido en la salida ... 75

CÁLCULO DE LOS ERRORES REALES DE LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO ... 78

(5)

v

6.2.1 Error real de caracterización de célula de carga genérica con acondicionamiento

analógico. ... 78

6.2.2 Error real de caracterización de célula de carga genérica con el acondicionamiento digital. ... 82

6.2.3 Error real de caracterización para células de carga industriales... 84

COMPARACIÓN DE ERRORES ENTRE LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO ... 88

PRESUPUESTO DE COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO ... 89

CONCLUSIONES ... 90

7. BIBLIOGRAFÍA ... 92

8. ANEXOS ... 96

ANEXOI:DISEÑO PCB PARA PEDIR FABRICAR A EMPRESA ... 97

8.1.1 Requisitos previos a la realización de la práctica ... 97

8.1.2 Objetivo y recursos necesarios ... 97

8.1.3 Requerimientos para la Fabricación online ... 97

8.1.4 Tamaños mínimos ... 97

8.1.5 Tamaños típicos de placa ... 98

8.1.6 Tamaños típicos para fabricación manual del PCB ... 99

8.1.7 Configurar reglas de diseño del PCB Layout del Diptrace para fabricación online .... 100

8.1.8 Consideraciones de diseño ... 102

8.1.9 Incluir varios diseños en un mismo pedido... 105

8.1.10 Extraer archivos Gerber y hacer el pedido ... 107

8.1.11 Enlaces relacionados ... 111

ANEXOII:PLANOS DE ESTRUCTURA DE CÉLULA DE CARGA GENÉRICA ... 112

(6)

vi

Índice de Figuras

FIGURA 1. CÉLULAS DE CARGA ... 5

FIGURA 2. DIFERENTES TIPOS DE PUENTE WHEATSTONE. APUNTES DE SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA (UPCT). JOAQUÍN ROCA GONZÁLEZ ... 5

FIGURA 3. GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS ... 6

FIGURA 4. VEHÍCULO DE TRANSPORTE DE DESECHOS CON SENSORES DE CARGA EN CHASIS Y EJES [1] ... 7

FIGURA 5. PROCESO DE CONTROL DEL FLUJO DE ALIMENTACIÓN DE UN PROCESO INDUSTRIAL [2] 7 FIGURA 6. CONTROL DE NIVEL DE 2 TANQUES [3] ... 8

FIGURA 7. MONITORIZACIÓN DE EFECTO DEL VIENTO EN ESTRUCTURAS [3] ... 8

FIGURA 8. LISÍMETRO DE PESADA COMPACTO PARA MACETAS [4] ... 9

FIGURA 9. ESQUEMA DE SISTEMA DE ADQUISICIÓN DATOS CON ARDUINO ... 9

FIGURA 10. ESQUEMA DE SISTEMA DE ADQUISICIÓN DATOS CON ARDUINO USANDO UN ACONDICIONAMIENTO DIGITAL ... 10

FIGURA 11. ESQUEMA DE SISTEMA DE ADQUISICIÓN DATOS CON DAQ USB-6008 ... 10

FIGURA 12. DIMENSIONES DE CÉLULA DE CARGA GENÉRICA ... 13

FIGURA 13. CONFIGURACIÓN DE PINES DEL INA AD623 ... 14

FIGURA 14. ESPECIFICACIONES DEL ERROR DE GANANCIA... 15

FIGURA 15. CÁLCULO DEL ERROR DE OFFSET DEL AD623ANZ ... 15

FIGURA 16. CÁLCULO DEL ERROR DEBIDO AL CMRR DEL AMPLIFICADOR ... 16

FIGURA 17. ESQUEMÁTICO DE ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 17

FIGURA 18. DIAGRAMA DE APLICACIÓN TÍPICA PARA EL HX711 ... 18

FIGURA 19. TABLA DE CARACTERÍSTICAS DEL HX711 ... 19

FIGURA 20. ESQUEMA DEL CIRCUITO COMPLETO DE ACONDICIONAMIENTO ... 20

FIGURA 21. PCB DEL CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO COMPLETO LADO TOP ... 21

FIGURA 22. PCB DEL CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO COMPLETO LADO BOTTOM ... 21

FIGURA 23. PCB CON COMPONENTES ... 21

FIGURA 24. ESTRUCTURA SOPORTE DE LA CÉLULA DE CARGA GENÉRICA ... 22

FIGURA 25. SIMULACIÓN DE TIEMPO DE FABRICACIÓN ... 22

FIGURA 26. INTEGRACIÓN DEL SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO ... 23

FIGURA 27. ESTRUCTURA DE CÉLULA DE CARGA SOPORTANDO 10 KG ... 23

FIGURA 28. CÉLULA DE CARGA TIPO “S” ... 26

FIGURA 29. DIMENSIONES DE CÉLULA DE CARGA TIPO “S” ... 26

FIGURA 30. PARÁMETROS TÉCNICOS DE LA CÉLULA DE CARGA TIPO “S” ... 26

FIGURA 31. ESQUEMA DE CONEXIÓN DE CÉLULAS DE CARGA EN PARALELO ... 27

FIGURA 32. BANDEJAS CON CÉLULAS DE CARGA TIPO “S” ... 27

FIGURA 33. AMPLIFICADOR PARA CÉLULAS DE CARGA RW-ST01A ... 28

(7)

vii

FIGURA 34. TERMINALES DE CONEXIÓN DEL RW-ST01A ... 28

FIGURA 35. PARÁMETROS TÉCNICOS DEL RW-ST01A ... 29

FIGURA 36. PÁGINA DE DESCARGA DEL ARDUINO IDE ... 32

FIGURA 37. OPCIONES DE INSTALACIÓN ARDUINO IDE... 32

FIGURA 38. COMPROBACIÓN DE INSTALACIÓN ARDUINO IDE... 32

FIGURA 39. SELECCIÓN DE VERSIÓN DE LABVIEW ... 33

FIGURA 40. PÁGINA DE DESCARGA DE LABVIEW ... 33

FIGURA 41. INSTALADOR DE LABVIEW ... 33

FIGURA 42. LICENCIA DE LABVIEW ... 34

FIGURA 43. INICIO DE SESIÓN LABVIEW ... 34

FIGURA 44. VALIDACIÓN DE LICENCIA LABVIEW ... 34

FIGURA 45. DESCARGA DE DRIVER NI-VISA ... 35

FIGURA 46. PÁGINA DE DESCARGA DEL VI PACKAGE MANAGER ... 35

FIGURA 47. BÚSQUEDA DEL PAQUETE DE SOFTWARE LINX ... 35

FIGURA 48. INSTALACIÓN DEL PAQUETE DE SOFTWARE LINX ... 36

FIGURA 49. DESDE LA PANTALLA DE INICIO ... 36

FIGURA 50. DESDE DE UN PROYECTO ABIERTO ... 37

FIGURA 51. LINX FIRMWARE WIZARD ... 37

FIGURA 52. LINX FIRMWARE WIZARD SELECCIÓN DE PUERTO COM ... 38

FIGURA 53. LINX FIRMWARE WIZARD TIPO DE COMPILACIÓN ... 38

FIGURA 54. LINX FIRMWARE WIZARD FIN DE COMPILACIÓN ... 39

FIGURA 55. EJEMPLO BLINK (SIMPLE).VI ... 39

FIGURA 56. CONEXIÓN DE LED CON ARDUINO UNO ... 40

FIGURA 57. DIAGRAMAS DE BLOQUES DE BLINK (SIMPLE).VI ... 40

FIGURA 58. EJEMPLOS ADICIONALES CON LINX ... 41

FIGURA 59. DIRECCIÓN DE LA CARPETA DE EJEMPLOS DE LINX ... 41

FIGURA 60. CONEXIÓN DE POTENCIÓMETRO A ARDUINO UNO ... 41

FIGURA 61. EJEMPLO ANALOG READ 1 CHANNEL.VI ... 42

FIGURA 62. DIAGRAMAS DE BLOQUES DE ANALOG READ 1 CHANNEL.VI ... 42

FIGURA 63. COPIA DEL EJEMPLO ANALOG READ 1 CHANNEL.VI ... 43

FIGURA 64. SELECCIÓN DEL BLOQUE WRITE TO MEASUREMENT FILE ... 43

FIGURA 65. CONFIGURACIÓN DEL BLOQUE WRITE TO MEASUREMENT FILE ... 43

FIGURA 66. INTRODUCIR UN CONTROL A WRITE TO MEASUREMENT FILE ... 44

FIGURA 67. SELECCIÓN DEL BLOQUE SET ATTRIBUTES ... 44

FIGURA 68. CONFIGURACIÓN DEL BLOQUE SET ATTRIBUTES ... 44

FIGURA 69. AVANCE DEL DIAGRAMA DE BLOQUES ... 45

(8)

viii

FIGURA 70. CREACIÓN DE CONSTANT Y CONTROL PARA EL BLOQUE SET ATTRIBUTES ... 45

FIGURA 71. CREACIÓN DEL ARRAY ... 45

FIGURA 72. AÑADIENDO BLOQUE BUILD ARRAY ... 46

FIGURA 73. INTRODUCCIÓN DE SHIFT REGISTER ... 46

FIGURA 74. CONEXIÓN DE ARRAY CON SIGNALS IN ... 46

FIGURA 75. SELECCIÓN DEL BLOQUE TIME DELAY ... 47

FIGURA 76. DIAGRAMA DE BLOQUES COMPLETO ... 47

FIGURA 77. PANEL DE CONTROL COMPLETO ... 47

FIGURA 78. ARCHIVO EXCEL GENERADO ... 48

FIGURA 79. INTRODUCIR UNA BARRA DE DIRECCIÓN A WRITE TO MEASUREMENT FILE ... 48

FIGURA 80. BROWSE OPTIONS… DE FILENAME ... 49

FIGURA 81. SELECCIÓN DE EJEMPLO PWM 1 CHANNEL.VI ... 49

FIGURA 82. PWM 1 CHANNEL.VI PANEL DE CONTROL ... 49

FIGURA 83. REEMPLAZAR DUTY CYCLE (0-1) ... 50

FIGURA 84. PWM 1 CHANNEL.VI PANEL DE CONTROL MODIFICADO ... 50

FIGURA 85. PANEL DE CONTROL DE LA INTERFAZ DE CALIBRACIÓN CON LINX ... 50

FIGURA 86. CONFIGURACIÓN DE LINX... 51

FIGURA 87. TENSIÓN A LA SALIDA AMPLIFICADOR (V) ... 51

FIGURA 88. GRAFICA DE PESO EN GRAMOS ... 52

FIGURA 89. CONCEPTO DE TARA ... 52

FIGURA 90. CUADRO DE CALIBRACIÓN ... 53

FIGURA 91. CUADRO DE ESCALADO ... 53

FIGURA 92. CUADRO DE MEDIDA ... 54

FIGURA 93. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ DE CALIBRACIÓN CON LINX ... 54

FIGURA 94. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ DE CALIBRACIÓN CON LINX (I) ... 55

FIGURA 95. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ DE CALIBRACIÓN CON LINX (II) ... 55

FIGURA 96. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ DE CALIBRACIÓN CON LINX (III) ... 55

FIGURA 97. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ DE CALIBRACIÓN CON LINX (IV) ... 56

FIGURA 98. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ DE CALIBRACIÓN CON LINX (V) ... 56

FIGURA 99. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ DE CALIBRACIÓN CON LINX (VI) ... 57

FIGURA 100. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ DE CALIBRACIÓN CON LINX (VII) ... 57

FIGURA 101. LIBRERÍA PARA EL USO DEL MÓDULO HX771 EN ARDUINO ... 58

FIGURA 102. DESCARGA DE LIBRERÍA DE HX711 PARA ARDUINO ... 58

FIGURA 103. CARGA DE LIBRERÍA DEL HX711 EN ARDUINO ... 58

FIGURA 104. COMPROBACIÓN DE INSTALACIÓN DE LA LIBRERÍA PARA EL HX711 ... 59

FIGURA 105. INSTALACIÓN DE LIBRERÍA LINX EN ARDUINO IDE (I) ... 59

(9)

ix

FIGURA 106. INSTALACIÓN DE LIBRERÍA LINX EN ARDUINO IDE (II) ... 59

FIGURA 107. INSTALACIÓN DE LIBRERÍA LINX EN ARDUINO IDE (III) ... 60

FIGURA 108. COMPROBACIÓN DE INSTALACIÓN DE LA LIBRERÍA LINX EN ARDUINO IDE ... 60

FIGURA 109. SKETCH EN BLANCO ... 60

FIGURA 110. VERIFICACIÓN DEL CÓDIGO ... 61

FIGURA 111. SELECCIÓN DEL PUERTO COM ... 62

FIGURA 112. PROGRAMACIÓN DE LA PLACA ARDUINO ... 62

FIGURA 113. CONFIGURACIÓN DEL CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO ... 62

FIGURA 114. SELECCIÓN DE MONITOR SERIE ... 63

FIGURA 115. MONITOR SERIE ... 63

FIGURA 116. INTERFAZ DE CALIBRACIÓN PARA ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO Y DIGITAL (HX711) ... 63

FIGURA 117. GRAFICA DE LECTURAS AD (IZQUIERDA), GRAFICA DE LECTURA EN GRAMOS (DERECHA) ... 64

FIGURA 118. RECUADRO CONFIGURACIÓN VISA ... 64

FIGURA 119. RECUADRO DE MEDIDA ... 65

FIGURA 120. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ DE CALIBRACIÓN PARA ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO Y DIGITAL (HX711) ... 65

FIGURA 121. DIAGRAMA DE BLOQUES INTERFAZ DE ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO/DIGITAL (I) ... 66

FIGURA 122. DIAGRAMA DE BLOQUES INTERFAZ DE ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO/DIGITAL (II) ... 66

FIGURA 123. DIAGRAMA DE BLOQUES INTERFAZ DE ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO/DIGITAL (III) ... 67

FIGURA 124. DIAGRAMA DE BLOQUES INTERFAZ DE ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO/DIGITAL (IV) ... 67

FIGURA 125. BANDEJA CON CÉLULAS DE CARGA TIPO S DEL LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN ... 68

FIGURA 126. INTERFAZ DE CALIBRACIÓN CON DAQ USB-6008... 68

FIGURA 127. CONFIGURACIÓN DAQ PAGE 1 Y PAGE 2 ... 69

FIGURA 128. GRAFICA DE PESO DE INTERFAZ PARA EL DAQ USB-6008 ... 69

FIGURA 129. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ PARA EL DAQ USB-6008 ... 70

FIGURA 130. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ PARA EL DAQ USB-6008 (I)... 70

FIGURA 131. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ PARA EL DAQ USB-6008 (II)... 70

FIGURA 132. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA INTERFAZ PARA EL DAQ USB-6008 (III). ... 71

FIGURA 133. CIRCUITO PARA ELIMINAR OFFSET EN UN PUENTE DE WHEATSTONE ... 74

FIGURA 134. CIRCUITO DE AJUSTE DE OFFSET CON EL AD623ANZ ... 74

FIGURA 135. CONDUCTORES EN PAR TRENZADO ... 75

FIGURA 136. GRAFICA DE LECTURA DE VOLTAJE A LA SALIDA EL AMPLIFICADOR APANTALLADO ... 76

(10)

x

FIGURA 137. CONEXIÓN DEL EXTERIOR DE LA CÉLULA CARGA AL APANTALLADO DEL CABLE DE

TRANSMISIÓN ... 76

FIGURA 138. GRAFICA DE LECTURA DE VOLTAJE A LA SALIDA EL AMPLIFICADOR CON APANTALLADO ... 77

FIGURA 139. RUIDO INTRODUCIDO POR LA RED ELÉCTRICA ... 77

FIGURA 140. AJUSTE DE POTENCIÓMETROS DEL CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 78

FIGURA 141. RECTA DE CALIBRACIÓN (IZQ.) RECTA DE ESCALADO (DER.) ... 78

FIGURA 142. TRADUCCIÓN DE VOLTIOS A GRAMOS EN EL ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO... 79

FIGURA 143. DATOS OBTENIDOS DEL ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 79

FIGURA 144. RECTA DE CALIBRACIÓN DEL ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 79

FIGURA 145. CÁLCULO DE ERRORES DEL ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 80

FIGURA 146. VARIACIÓN DEL ERROR EN %FS DEL ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 80

FIGURA 147. ERROR EXPRESADO EN %FS ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO USANDO RECTA DE CALIBRACIÓN... 81

FIGURA 148. MEDIDA ASCENDENTE VS DESCENDENTE DE ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 81

FIGURA 149. HISTÉRESIS ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO ... 81

FIGURA 150. TRADUCCIÓN DE VOLTIOS A GRAMOS EN EL ACONDICIONAMIENTO DIGITAL ... 82

FIGURA 151. DATOS OBTENIDOS DEL ACONDICIONAMIENTO DIGITAL... 82

FIGURA 152. CÁLCULO DE ERRORES DEL ACONDICIONAMIENTO DIGITAL ... 82

FIGURA 153. VARIACIÓN DEL ERROR EN %FS DEL ACONDICIONAMIENTO DIGITAL ... 83

FIGURA 154. MEDIDA ASCENDENTE VS DESCENDENTE HX711 ... 83

FIGURA 155. HISTÉRESIS ASCENDENTE -HX711 ... 83

FIGURA 156. BALANZA DEL LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN (IZQ.) Y EQUIPO DE MEDICIÓN (DER.) ... 84

FIGURA 157. AJUSTE DE POTENCIÓMETROS DEL RW-ST01A ... 84

FIGURA 158. DATOS OBTENIDOS DEL AJUSTE DEL ACONDICIONAMIENTO CON EL RW-ST01A ... 85

FIGURA 159. RECTAS DE CALIBRACIÓN DEL ACONDICIONAMIENTO CON RW-ST01A (I) ... 85

FIGURA 160. RECTAS DE CALIBRACIÓN DEL ACONDICIONAMIENTO CON RW-ST01A (II) ... 85

FIGURA 161. TRADUCCIÓN DE VOLTIOS A GRAMOS DEL ACONDICIONAMIENTO CON RW-ST01A .. 86

FIGURA 162. MEDIDAS DEL ACONDICIONAMIENTO CON RW-ST01A ... 86

FIGURA 163. CÁLCULO DE ERRORES DEL ACONDICIONAMIENTO CON RW-ST01A ... 86

FIGURA 164. VARIACIÓN DEL ERROR EN %FS DEL ACONDICIONAMIENTO CON RW-ST01A ... 87

FIGURA 165. MEDIDAS ADICIONALES DEL ACONDICIONAMIENTO CON RW-ST01A ... 87

FIGURA 166. CÁLCULO DE ERRORES DE LAS MEDIDAS ADICIONALES ... 87

FIGURA 167. VARIACIÓN DE ERROR EN %FS EN LAS MEDIDAS ADICIONALES ... 88

(11)

xi

Índice de Tablas

TABLA 1. PARÁMETROS DE CÉLULA DE CARGA GENÉRICA ... 13

TABLA 2. CÓDIGO DE COLORES DE CÉLULA DE CARGA GENÉRICA ... 13

TABLA 3. TABLA DE COMPARACIÓN DE ERRORES DE LOS SISTEMAS DE PESAJE ... 89

TABLA 4. PRESUPUESTO DE ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO/DIGITAL ... 89

TABLA 5. PRESUPUESTO DE ACONDICIONAMIENTO DE LAS CÉLULAS DE CARGA DEL LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN ... 89

(12)

xii

(13)

1

1. Introducción y objetivos

En este capítulo se introduce el trabajo, su planteamiento inicial, así como sus objetivos.

(14)

2

Introducción

Las células de carga suelen utilizarse en una gran variedad de sectores en los que se requieren mediciones precisas. Entre estas industrias se incluyen la farmacéutica, la manufacturera y la de automoción. Unas mediciones precisas son fundamentales en los diferentes campos de investigación, especialmente en aquellos que utilizan laboratorios para la realización de sus estudios. Una célula de carga funciona convirtiendo el peso en una señal que, posteriormente, se envía a un ordenador. A continuación, esa información se controla para conocer el progreso o para el cumplimiento de cualquier requisito establecido.

La tecnología de células de carga se puede integrar fácilmente en máquinas, vehículos, dispositivos e instrumentos. En sus diseños se tienen en cuenta principios físicos que garantizan la protección contra el levantamiento y la sobrecarga para un pesaje seguro y unos resultados exactos.

Planteamiento inicial del proyecto

El objetivo del TFG consistirá en el diseño y construcción de un sistema de caracterización de células de carga asistido por ordenador con fines docentes. Para ello el sistema tendrá una unidad de acondicionamiento analógico con salida en voltios que será adquirida por una plataforma micro controlada (Arduino Uno) que sea fácil adquisición por parte de los estudiantes. De la misma forma, y para evaluar el comportamiento de la unidad de acondicionamiento analógico, se usará una unidad de acondicionamiento digital (HX711) con salida serie a explotar por el mismo controlador. Finalmente, y para poder emplear el sistema con fines docentes, se hará el desarrollo de una aplicación con LabVIEW que permita aprovechar desde un ordenador la información adquirida por el microcontrolador.

Para facilitar la actividad docente, se realizará una guía de prácticas donde el alumno gradualmente pueda familiarizarse con el uso de la plataforma Arduino, el software LabVIEW, calibración y acondicionamiento de células de carga y el cálculo de los valores de error que proporcionan en las medidas de peso las unidades analógico y digital. Como apartado opcional en la guía, se mostrará como usando un programa de diseño de circuitos (DipTrace) se pueden generar los archivos necesarios para enviarlos a un fabricante de prototipos de PCBs (seeedstudio.com) y obtener circuitos con un acabado profesional.

Objetivos del proyecto

Se definen las metas a alcanzar durante el desarrollo del proyecto:

a) Revisión del estado del arte e instalación de software necesario

b) Selección de la solución circuital para el acondicionamiento analógico, diseño y caracterización de la unidad de acondicionamiento analógico y su programación con Arduino

c) Selección de la arquitectura y configuración circuital para el acondicionamiento digital, diseño y caracterización de la unidad de acondicionamiento digital y su programación con Arduino

d) Programación de la aplicación para la adquisición de datos bajo LabVIEW e) Integración, pruebas del sistema y cálculo de errores

f) Documentación y cálculo de costes

(15)

Diseño e implementación de sistema de caracterización de células de carga con fines docentes

3

(16)

4

2. Sistemas de pesaje

En este capítulo se introducen las células de carga, sus parámetros y aplicaciones más comunes. Así también se define la estructura general de un sistema de adquisición de datos y el uso que se le dará a continuación.

(17)

5

Una célula de carga (o celda de carga) es un transductor que convierte la fuerza aplicada sobre ella en una señal eléctrica medible. A pesar de existir varios tipos de sensores, las células de carga son el sensor de fuerza más común del mercado.

Figura 1. Células de carga

Los diseños de células de carga se pueden distinguir de acuerdo con el tipo de señal de salida generada (neumático, hidráulico, eléctrico) o de acuerdo con la forma en que detectan el peso (flexión, cizalladura, compresión, tensión, etc). En este caso nos centraremos en células de carga extensiométricas con salida eléctrica

Principios de funcionamiento

Las células de carga extensiométricas convierten la carga que actúa sobre ellas en señales eléctricas. Los propios medidores (galgas extensiométricas) están unidos a una viga o elemento estructural que se deforma cuando se le aplica un peso. En la mayoría de los casos, se utilizan cuatro medidores de deformación para obtener la máxima sensibilidad y compensación de temperatura. Dos de los medidores están por lo general en tensión, y dos en compresión, y se conectan con ajustes de compensación (como se muestra abajo en la Figura de abajo). Cuando se aplica un peso, la tensión cambia la resistencia eléctrica de los medidores en proporción a la carga.

Figura 2. Diferentes tipos de puente Wheatstone. Apuntes de Sistemas de Instrumentación Electrónica (UPCT). Joaquín Roca González

Conociendo la tensión de la fuente de alimentación (E), podemos cuantificar el valor de la fuerza (F) sabiendo que la tensión de salida (V) es proporcional al valor resistivo de las resistencias (R y Rgx).

(18)

6

2.1.1 Galgas Extensiométricas

Las galgas extensiométricas o extensiométricas se utilizan como transductores de fuerza o deformación. Se basan en el efecto piezorresistivo. Una galga consiste en una resistencia construida de forma que sea sensible a la deformación en una determinada dirección. A fin de conseguir esto, se disponen de varios tramos longitudinales para que la galga presente una resistencia apreciable en el sentido de medida de la deformación; mientras que la sección de los tramos transversales es mucho mayor a fin de que la sensibilidad a la deformación en esta dirección sea mucho menor.

Figura 3. Galgas Extensiométricas

Generalmente, son de tipo película, y constan de una fina capa metalizada de una aleación conductora, depositada sobre una lámina de material plástico aislante, de forma que ésta se pueda adaptar fácilmente a una superficie. El material conductor sufrirá las deformaciones, siendo posible medir esfuerzos a partir de la variación de resistencia.

La galga ha de estar fijada al elemento sometido a esfuerzo mediante un adhesivo. La elección adecuada de este adhesivo es importante para que no se produzcan errores en la medida.

2.1.2 Parámetros de una galga

Aunque idealmente, las galgas deberían ser puntuales para poder medir los esfuerzos en un punto concreto, tienen unas dimensiones apreciables. A nivel práctico, se considera que el

“punto” de medida es el centro geométrico de la galga. El principal parámetro que considerar a la hora de seleccionar una galga es su sensibilidad. La sensibilidad de la galga se especifica mediante el denominado factor de galga (K), el cual se define como la razón entre la variación relativa de resistencia y la deformación.

𝐾 =

𝜕𝑅 𝑅

𝜕𝐿 𝐿

=

𝜕𝑅 𝑅 Ɛ

𝜀= deformación unitaria, siendo 1 micro deformación = 1µƐ = 10⁻⁶ m/m. Para pequeñas variaciones de la resistencia (2%) del hilo metálico (Figura 1.3) se estima que:

𝑅 = 𝑅𝑜 + 𝑥 · 𝑅𝑜 = 𝑅𝑜(1 + 𝑥) siendo 𝑥 = 𝐾 · Ɛ y 𝑅𝑜 = Resistencia en reposo La mejora de la sensibilidad de la galga se puede conseguir incrementando las variaciones de resistencia, para lo cual se debe aumentar la resistencia sin variar la sección. Esto se consigue dándole forma de zigzag como se observa en las Figuras anteriores

(19)

7

2.1.3 Factores para tener en cuenta en el empleo de galgas

• El esfuerzo no debe llevar a la galga fuera del margen elástico de deformaciones (4% longitud de la galga) 3000 µƐ para las galgas semiconductoras y 40.000 µƐ para las metálicas.

• La temperatura resulta una fuente de interferencias en la medida, debido a que afecta a la resistencia, al módulo de elasticidad, y a las dimensiones.

• La corriente que circula por la galga puede suponer un problema debido al calentamiento que esta provoca.

• El esfuerzo debe ser transmitido totalmente a la galga, por lo que se debe pegar cuidadosamente y aislar eléctricamente.

• El “punto” de medida será el centro geométrico de la galga.

Aplicaciones de células de carga

La necesidad de medir peso o fuerza no está limitada a ninguna industria en particular o aplicación concreta, a continuación, se mencionan sus aplicaciones más comunes.

2.2.1 Pesaje a bordo para vehículos industriales y agrícolas

Incluye pesaje a bordo de grúas puente, cosechadoras, mezcladoras de pienso, vehículos de transporte de basura, camiones de volteo, etc. En la siguiente Figura se muestra la medición de carga sobre los ejes y chasis de un vehículo de transporte de basura para monitorear la carga de material.

Figura 4. Vehículo de transporte de desechos con sensores de carga en chasis y ejes [1]

2.2.2 Cintas transportadores y sistemas de dosificación.

En cintas transportadoras junto con medidores de velocidad, para el calcula del flujo de alimentación de procesos industriales.

Figura 5. Proceso de control del flujo de alimentación de un proceso industrial [2]

(20)

8

2.2.3 Control de nivel en procesos industriales

Como se muestra en la imagen de esta aplicación, el volumen de uno o varios contenedores sin importar su figura o forma pueden ser monitoreados y controlados durante un proceso automatizado usando células de carga

Figura 6. Control de nivel de 2 tanques [3]

2.2.4 Monitorización de efectos del viento en estructuras

Usando una o varias celdas de carga, se puede monitorear la tensión inducida por la actividad de fuertes vientos en las torres localizadas en áreas remotas.

Figura 7. Monitorización de efecto del viento en estructuras [3]

(21)

9

2.2.5 Lisímetros

Se emplean en el control del riego y en la determinación de determinados parámetros hidrológicos. Como se ve en la siguiente Figura, la plataforma triangular que soporta la maceta descansa sobre tres celdas de carga ubicadas en sus vértices y se usan para medir el peso. Una cuarta celda de carga es responsable de medir las variaciones de peso del tanque de drenaje.

Figura 8. Lisímetro de pesada compacto para macetas [4]

Estructura general de un sistema de adquisición de datos

La adquisición de datos o adquisición de señales consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otros dispositivos electrónicos (sistema digital). Consiste en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan ser procesadas por un ordenador. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de adquisición de datos (DAQ).

2.3.1 Proceso de adquisición de datos

La adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto en nuestro caso la fuerza ejercida sobre una célula de carga usando la siguiente estructura.

Figura 9. Esquema de sistema de adquisición datos con Arduino

(22)

10

Como se muestra en la imagen anterior se recibirá una señal de la célula de carga en el orden de mV esta señal será acondicionada a través de un amplificador a niveles admisibles por Arduino que actuará como tarjeta de adquisición de datos y enviará está a lectura a un PC con el software de programación grafica LabVIEW.

También se probará el siguiente sistema usando el módulo HX711 para realizar el acondicionamiento.

Figura 10. Esquema de sistema de adquisición datos con Arduino usando un acondicionamiento digital

Y, por último, se utilizará el sistema de la Figura a continuación para la caracterización de las células de carga tipo “S” del laboratorio de instrumentación.

Figura 11. Esquema de sistema de adquisición datos con DAQ USB-6008

(23)

11

(24)

12

3. Caracterización de célula de carga genérica

En el capítulo 3 se documenta el proceso de caracterización de la célula de carga genérica primeramente a través de un acondicionamiento analógico usando un amplificador de instrumentación y luego a través de un acondicionamiento digital con un conversor analógico digital para balanzas en estos dos casos usando un Arduino Uno como tarjeta de adquisición de datos.

(25)

13

Lo primero es identificar los parámetros de la célula de carga a caracterizar, en este caso usaremos una célula de carga genérica con salida en puente Wheatstone. Denominada genérica, ya que es una de las tantas que se puede encontrar en tiendas online para incorporarlas en el diseño con placas tipo Arduino

Figura 12. Dimensiones de célula de carga genérica El proveedor nos ofrece los siguientes parámetros:

Rango de carga 1, 2, 3, 5, 10, 20 kg

Voltaje de funcionamiento 3VDC ~ 14 VDC

Salida nominal 1,0 ± 0.15mV / V

Repetibilidad 0,03% FS

Efecto de la temperatura en la salida 0,01% FS / ° C Efecto de la temperatura sobre cero 0.05% FS / ° 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

Material Aleación de aluminio

Grado de protección IP65

Longitud de Cable 20 cm

Tamaño 80 x 12.7 x 12.7 mm

Tabla 1. Parámetros de célula de carga genérica Cableado

Rojo Alimentación +

Negro Alimentación -

Verde Señal +

Blanco Señal -

Tabla 2. Código de colores de célula de carga genérica

A partir de la salida nominal (sensibilidad) 1.0 ± 0.15mV/V podemos calcular que con una alimentación de 5V tendremos una salida máxima igual a 5 ± 0.75 mV en función del rango de entrada de la célula de carga que utilicemos que puede ser de 1, 2, 3, 5, 10, 20 Kg. Esta salida de

(26)

14

tensión necesita ser amplificado a niveles de tensión detectables por el convertidor analógico digital del Arduino, y se pueda hacer uso del todo el rango que nos ofrece el convertidor A/D que es de 0 a 5V

Amplificador de instrumentación AD623ANZ

El AD623 es un amplificador de instrumentación que admite alimentación simple o dual de 3V a 12V, ofreciendo una salida que puede acercarse bastante al voltaje de alimentación (también llamado en inglés “rail-to-rail output swing”). Otras características que ofrece son:

• Fácil de usar, ya que solo necesita una resistencia para asignar la ganancia

• Rango de ganancia: 1 a 1000

• Alta precisión trabajando en DC, 0.10% precisión de ganancia a (G = 1) y 0.35% de precisión de ganancia a (G > 1)

Figura 13. Configuración de pines del INA AD623

Teniendo en cuenta que tendremos una salida máxima alrededor de 5 mV en la célula de carga, podríamos amplificar con una ganancia de 1000 y obtener teóricamente 5V a la salida del amplificador, pero debido a que la alimentación que usaremos para el amplificador es de 5v siempre habrá una caída de voltaje respecto al voltaje de alimentación en la salida, por lo que es mejor ajustar el amplificador para tener una salida máxima no tan cercana al voltaje de alimentación, en este caso 4V. Calculando la ganancia que nos haría falta:

𝐺 = 4𝑉

5𝑚𝑉 = 800

Otro beneficio de tener en cuenta lo que se mencionó anteriormente, es que no alejamos de la ganancia máxima que nos puede ofrecer nuestro amplificador (G=1000) por lo que debería funcionar con un mejor comportamiento. Ya con la ganancia que queremos podemos usar la fórmula que nos ofrece el fabricante en la hoja de datos, para calcular la resistencia que necesitamos entre los pines 1 y 8 para obtener la salida que queremos

𝐺 = 1 +100𝐾Ω

𝑅𝐺 => 𝑹𝑮=100𝐾Ω

𝐺 − 1 = 𝟏𝟐𝟓, 𝟏𝟔 Ω

(27)

15

Cálculo del error del sistema de acondicionamiento analógico

algo muy importante es el cálculo de la medida del error, iremos obteniendo los errores que influyen en nuestro sistema, expresado en porcentaje de fondo de escala en la salida (% FSO) para luego calculo error total del sistema en el caso más desfavorable Ɛ𝑊𝐶𝐸 y el error total del sistema más probable Ɛ_𝑇𝑃𝐸

Tomaremos en cuenta el error de linealidad de la célula de carga Ɛ_𝒍𝒊𝒏 la cual el fabricante llama repetibilidad en los datos que nos ofrece y lo expresa en porcentaje del Span (FS) lo cual traducimos a porcentaje del fondo de escala a salida teniendo en cuenta que en este caso % FS

≈ % FSO

Repetibilidad 0,03% FS ≈ 0,03% FSO

El error de ganancia Ɛ𝑮𝒂𝒊𝒏 del amplificador que se obtiene de la hoja de datos del AD623 en el apartado de especificaciones de alimentación simple, de donde también se obtuvo la fórmula para el cálculo de la resistencia RG

Figura 14. Especificaciones del error de ganancia

De la figura anterior obtenemos el valor Ɛ𝑮𝒂𝒊𝒏= 𝟎. 𝟑𝟓% 𝐅𝐒𝐎, teniendo en cuenta que tendremos una ganancia igual G=800 y que consideramos el caso con el error más grande

El error de offset de la tensión indeseada que tendremos a la salida Ɛ_{𝑶𝑭𝑭𝑺𝑬𝑻}, que calcularemos usando la formula 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑅𝑇𝐼 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝑉𝑂𝑆𝐼+ 𝑉_𝑂𝑆𝑂/𝐺 y los valores de 𝑉_𝑂𝑆𝐼= 200µ𝑉 y 𝑉_𝑂𝑆𝑂 = 1000µ𝑉 como se muestra en la siguiente figura

Figura 15. Cálculo del Error de offset del AD623ANZ

(28)

16

La fórmula que nos ofrece la hoja de datos tiene que multiplicarse por la ganancia del amplificador para referenciarse a la salida, luego para expresar el error en función del fondo de escala en tanto por ciento, dividimos por FS y multiplicamos por 100

Ɛ_{𝑶𝑭𝑭𝑺𝑬𝑻}=𝐺 ∗ (𝑉_𝑂𝑆𝐼+ 𝑉_𝑂𝑆𝑂/𝐺)

𝐹𝑆𝑂 ∗ 100 = 800 ∗ (200µ𝑉 +1000µ𝑉 800 )

4𝑉 − 1𝑉 ∗ 100 = 𝟓. 𝟑𝟕% 𝑭𝑺𝑶 El límite inferior de nuestro fondo de escala como se ve en la formula anterior no es cero voltios, ya que la propia célula de carga en reposo (sin ninguna carga) no ofrece una salida lo suficientemente pequeña como para después que se amplifique se pueda ignorar. El fabricante de la célula de nos ofrece un dato que nos permite calcular este valor.

Cero ± 0.1000 mV / V

Con esto se calcula que con una alimentación de 5V y multiplicando por una ganancia de 800 del amplificador tenemos una salida en reposo alrededor de 0.1^𝑚𝑉_𝑉 ∗ 5 𝑉 ∗ 800 = 0.4 𝑉. Hay que tener también en cuenta que, según la célula de carga en específico, la temperatura o de la estructura donde se situé la célula de carga este valor variara, por lo que es necesario tener alguna forma de ajustar la salida en reposo, de lo que se hablara más adelante, por ahora tendremos en cuenta que se ajustara la salida en reposo a 1V

Por último, calculamos el error debido al factor de rechazo en modo común Ɛ_{𝑪𝑴𝑹𝑹} del amplificador usando el valor “Min” que nos ofrece la siguiente figura ya que es el peor caso.

Figura 16. Cálculo del error debido al CMRR del amplificador Partiendo de la definición de CMRR despajamos la ganancia en modo común:

𝐶𝑀𝑅𝑅 = 20 ∗ log ( 𝐺

𝐺_𝐶𝑀) = 105 𝑑𝐵 => 𝐺_𝐶𝑀= 𝐺 10^{105 𝑑𝐵}²⁰

= 800 10^{105 𝑑𝐵}²⁰

= 0.004

Con esto y sabiendo que el voltaje en modo común va a ser la mitad que el voltaje con que se alimenta el puente de Wheatstone calculamos el voltaje en modo común en la salida

𝑉_𝐶𝑀 =𝑉𝑐𝑐

2 = 2.5 𝑉 𝑉𝑜_𝐶𝑀 = 𝐺_𝐶𝑀∗ 𝑉_𝐶𝑀 = 11.25 𝑚𝑉

Dividimos el 𝑉𝑜𝐶𝑀 por el fondo de escala y multiplicamos por 100 para obtener el Ɛ𝑪𝑴𝑹𝑹

en porcentaje del fondo de escala Ɛ_{𝐂𝐌𝐑𝐑}= 𝑉𝑜_𝐶𝑀

𝐹𝑆𝑂 ∗ 100 =11.25 𝑚𝑉

4 − 1 ∗ 100 = 𝟎. 𝟑𝟕 % 𝑭𝑺𝑶 Sumando todos los errores obtenemos:

Ɛ_𝑾𝑪𝑬 = Ɛ_𝒍𝒊𝒏+ Ɛ_{𝑮𝒂𝒊𝒏}+ Ɛ_{𝑶𝑭𝑭𝑺𝑬𝑻}+ Ɛ_{𝐂𝐌𝐑𝐑}= 0.03 + 0.35 + 5.37 + 0.37 = 𝟔. 𝟏𝟐 % 𝐅𝐒𝐎

(29)

17

Ɛ_𝑻𝑷𝑬= √Ɛ_𝒍𝒊𝒏^𝟐+ Ɛ_{𝑮𝒂𝒊𝒏}^𝟐+ Ɛ_{𝑶𝑭𝑭𝑺𝑬𝑻}^𝟐+ Ɛ_{𝐂𝐌𝐑𝐑}^𝟐 = 𝟓. 𝟑𝟗 %𝑭𝑺𝑶

Estos cálculos hacen referencia al peor error posible que podemos obtener a la salida, pero en la mayoría de los casos el error más común va a ser el calculado con los valores típicos.

Haciendo los cálculos con los valores típicos obtenemos:

Ɛ_𝑾𝑪𝑬= Ɛ_𝒍𝒊𝒏+ Ɛ_{𝑮𝒂𝒊𝒏}+ Ɛ_{𝑶𝑭𝑭𝑺𝑬𝑻}+ Ɛ_{𝐂𝐌𝐑𝐑}= 0.03 + 0.10 + 0.67 + 0.21 = 𝟏. 𝟎𝟏 %𝑭𝑺𝑶

Ɛ_𝑻𝑷𝑬= √Ɛ_𝒍𝒊𝒏^𝟐+ Ɛ_{𝑮𝒂𝒊𝒏}^𝟐+ Ɛ_{𝑶𝑭𝑭𝑺𝑬𝑻}^𝟐+ Ɛ_{𝐂𝐌𝐑𝐑}^𝟐 = 𝟎. 𝟕𝟏 %𝑭𝑺𝑶

Estos cálculos se traducirían que si por ejemplo usaremos una célula de carga de 10Kg teniendo en cuenta que el error expresado en porcentaje del fondo de escala en este caso se puede traducir a porcentaje del Span (%FS), %FSO ≈ % FS tenemos un error en gramos igual a

10000𝑔 ∗0.71 %𝐹𝑆

100 = 𝟕𝟏 𝒈

Por lo que las lecturas en gramos que hagamos del acondicionamiento analógico tendrán un error de ±71 g

Esquemático del acondicionamiento analógico

Figura 17. Esquemático de acondicionamiento analógico

Se ve en la imagen superior como queda el circuito del acondicionamiento con el amplificador de instrumentación AD623ANZ (U1).

• RG1 es un conector desde donde se conecta la célula de carga siendo E+, E- la alimentación de la célula de carga y A+, A- la salida diferencial. B+ y B- seria la salida diferencial de una segunda célula de carga si se llegara a usar

• Con el potenciómetro Gain ajustamos la Ganancia del amplificador y con el Z se ajusta la salida en reposo (sin carga) del amplificador. Como se habló anteriormente la salida sin carga tendrá un valor alrededor 0.4 V el cual puede variar, para compensar esto podemos introducir un voltaje en la patilla REF del AD623ANZ para ajustar la salida sin carga a un valor conocido, en este caso 1V

(30)

18

• C1 es un condensador que se usa para filtrar posibles ruidos en la fuente de alimentación que en este caso es la que proviene del Arduino Uno, se sitúa cerca del amplificador

• La salida del amplificador se conecta a la entrada analógica A0 del Arduino, esta usa un convertidor A/D de 10 bits por lo que se lograría una resolución igual a

5 𝑉

2¹⁰−1= 4.89 𝑚𝑉

Conversor analógico-digital HX711

El HX711 es un convertidor analógico-digital de precisión de 24 bits (ADC) diseñado para el pesaje con bascula y aplicaciones de control industrial. Está diseñado para conectarse directamente a la salida de un puente de Wheatstone. Entre sus características están:

• Rango de tensión de alimentación de 2.6 V a 5.5 V

• Bajo consumo, menos 1.5 mA operando normalmente

• Devuelve hasta 10 SPS (sample per second) o muestras por segundo a la salida

• Trae su propio oscilador por lo que no requiere uno externo

• Posea un amplificador programable integrado (PGA) de bajo ruido con ganancia seleccionable de 32, 64 y 128

• Se puede alcanzar una resolución igual a ^1𝑚𝑉^𝑉 ^{∗5𝑉∗128}

2²⁴−1 = 38,15 𝑛𝑉

Figura 18. Diagrama de aplicación típica para el HX711

Como se ve en la imagen superior se tiene un multiplexor a la entrada que permite seleccionar entre los canales A o B de entrada diferencial (aunque en nuestro caso solo usaremos el canal A) que luego se amplifica y se pasa por un conversor A/D de 24 bits cuya información se comunicara a través de 2 pines DOUT y PD_SCK al Arduino.

Cálculo del error del sistema de acondicionamiento con el HX711

En este caso solo se toman en cuenta el error de linealidad que introduce la célula de carga Ɛ_𝒍𝒊𝒏= 0.03 % FSO y los errores de Ɛ𝑶𝑭𝑭𝑺𝑬𝑻 y Ɛ𝐂𝐌𝐑𝐑 que introduce el HX711 como indica su tabla de parámetros.

(31)

19

Figura 19. Tabla de características del HX711

Consideramos que el HX711 tiene 5 V como fondo de escala y consideramos la ganancia igual a 128

Ɛ_{𝑶𝑭𝑭𝑺𝑬𝑻} =0.2 𝑚𝑉

𝐹𝑆𝑂 ∗ 100 = 0.2 𝑚𝑉

5 𝑉 ∗ 100 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟒 % 𝑭𝑺𝑶 Hacemos el mismo calculo que en el acondicionamiento para calcula del ƐCMRR

𝐶𝑀𝑅𝑅 = 20 ∗ log ( 𝐺

𝐺_𝐶𝑀) = 100 𝑑𝐵 => 𝐺𝐶𝑀= 𝐺 10^{100 𝑑𝐵}²⁰

= 128 10^{100 𝑑𝐵}²⁰

= 0.001

Sabiendo que el voltaje en modo común va a ser la mitad que el voltaje con que se alimenta el puente de Wheatstone calculamos el voltaje en modo común en la salida

𝑉_𝐶𝑀=𝑉𝑐𝑐

2 = 2.5 𝑉 𝑉𝑜_𝐶𝑀= 𝐺_𝐶𝑀∗ 𝑉_𝐶𝑀 = 3.2 𝑚𝑉

Dividimos el 𝑉𝑜_𝐶𝑀 por el fondo de escala y multiplicamos por 100 para obtener el Ɛ_{𝑪𝑴𝑹𝑹} en porcentaje del fondo de escala

Ɛ_{𝐂𝐌𝐑𝐑}= 𝑉𝑜𝐶𝑀

𝐹𝑆𝑂 ∗ 100 =11.25 𝑚𝑉

5 𝑉 ∗ 100 = 𝟎. 𝟎𝟔 % 𝑭𝑺𝑶 Sumando todos los errores obtenemos:

(32)

20

Ɛ_𝑻𝑴𝑫= Ɛ_𝒍𝒊𝒏+ Ɛ_{𝑶𝑭𝑭𝑺𝑬𝑻}+ Ɛ_{𝐂𝐌𝐑𝐑}= 0.03 + 0.004 + 0.06 = 𝟎. 𝟎𝟗𝟒 % 𝐅𝐒𝐎

Ɛ_𝑻𝑴𝑷 = √Ɛ_𝒍𝒊𝒏^𝟐+ Ɛ_{𝑶𝑭𝑭𝑺𝑬𝑻}^𝟐+ Ɛ_{𝐂𝐌𝐑𝐑}^𝟐 = 𝟎. 𝟎𝟔𝟕 %𝑭𝑺𝑶

Sí por ejemplo usaremos una célula de carga de 10Kg, tenemos un error en gramos igual a 10000𝑔 ∗0.07 %𝐹𝑆

100 = 𝟕𝒈

Por lo que las lecturas en gramos que hagamos del acondicionamiento con el HX711 tendrán un error de ±7g

Circuito completo del acondicionamiento

Figura 20. Esquema del circuito completo de acondicionamiento

Se ve en la imagen superior como queda el circuito completo del acondicionamiento incluyendo el HX711:

• Los pines E+ y E- sirven para alimentar la célula de carga a través del propio HX711, pero hay una caída de tensión con respecto a los 5V de la alimentación VCC, por lo que se alimenta la célula carga directamente desde el Arduino Uno y no se usan los Pines E+ y E- del HX711. A- y A+ es donde se conecta la salida de la célula de carga al HX711. B- y B+ es donde se podría conectar una segunda célula de carga, aunque en nuestro caso no se usa

• El HX711 se comunica con el Arduino uno a través de los pines DT y SCK conectados a las entradas A3 y A2 respectivamente

• En el diseño también incluye un diodo Led con su resistencia limitadora de corriente, un interruptor y un botón con una resistencia en “Pull Down” en cada uno respectivamente.

(33)

21

PCB del Circuito del acondicionamiento completo

Con respecto al esquema del circuito de acondicionamiento completo se ha añadido una placa adicional para soldar los cables que provienen de la célula de carga para evitar posibles roturas por desgaste, también se añadieron un par de pines llamados “Out” y “Gnd” para facilitar la medida de voltaje a la salida del amplificador con un polímetro. Tiene las siguientes medidas 58 mm X 96 mm y se ordenó la fabricación a través de seeedstudio.com, una guía del proceso se encuentra en el apartado de Anexos.

Figura 21. PCB del circuito de acondicionamiento completo lado Top

Figura 22. PCB del circuito de acondicionamiento completo lado Bottom

Figura 23. PCB con componentes

(34)

22

Estructura soporte de la célula de carga genérica

Tiene las siguientes medidas 102,5 mm X 70 mm X 41,2 mm

Figura 24. Estructura soporte de la célula de carga genérica

1) Soporte inferior con espacio para tuercas en la cara inferior para ajustar los tornillos que sujetan la célula de carga y el PCB que lleva el conector de la alimentación

2) Célula de carga con agujeros roscados M4 para el Soporte superior y M5 para el Soporte inferior

3) Soporte superior con espacio para acomodar la cabeza de los tornillos 4) Tornillos M4x17mm

5) Tornillos M5x30mm

Los planos del diseño se encuentran en el apartado de Anexos. Se muestra a continuación el cálculo del tiempo de fabricación por impresión 3D

Figura 25. Simulación de tiempo de fabricación

(35)

23

Figura 26. Integración del sistema de acondicionamiento

Figura 27. Estructura de célula de carga soportando 10 Kg

(36)

24

(37)

25

4. Caracterización de células de carga industriales

En el capítulo 4 se documenta el proceso de caracterización de las células de carga tipo “S”

del laboratorio de instrumentación usando un acondicionador para células de carga comercial y la tarjeta de adquisición de datos DAQ USB-6008.

(38)

26

También se realizará el acondicionamiento del siguiente tipo de célula de carga para su uso en el laboratorio de Instrumentación

Figura 28. Célula de Carga tipo “S”

La cual posee las siguientes dimensiones:

Figura 29. Dimensiones de célula de carga tipo “S”

Y los siguientes parámetros técnicos

Figura 30. parámetros técnicos de la célula de carga tipo “S”

(39)

27

Se usará una conexión en paralelo para conectar dos células de carga como indica el siguiente esquema:

Figura 31. Esquema de conexión de células de carga en paralelo

De esta forma, todas reciben la misma alimentación y cuando se “desequilibran” por el efecto del peso del producto, cada una suministra la misma señal de mV. Como están en paralelo, la resultante de todas juntas es dicha señal de mV.

Hay que tener en cuenta que todas las Células de Carga que se pongan en paralelo deben de ser del mismo rango. Como tenemos 2 células de carga 30kg el peso que podría soportar el sistema de pesaje es de 60 kg incluyendo el peso muerto (bandeja donde se colocara la carga).

Naturalmente, para que esto sea así hay que asegurarse de que la bandeja este perfectamente horizontal, ya que este hecho nos asegurara que el esfuerzo soportada por cada una de las dos células de carga es el mismo, en este caso 30kg

Figura 32. Bandejas con células de carga tipo “S”

La bandeja utilizada es del tipo que se usa en lisímetros para cuantificar el drenaje de agua y realizar estudios de optimización de rendimiento de cultivos principalmente.

(40)

28

Acondicionamiento de señal con RW-ST01A

Figura 33. Amplificador para células de carga RW-ST01A

Para acondicionar la salida de las células de carga Tipo “S” se usará el amplificador para células de carga RW-ST01A, siguiendo el esquema de conexiones de células de carga en paralelo y la información sobre los terminales de conexión del RW-ST01A que se muestra en la siguiente imagen.

Figura 34. Terminales de conexión del RW-ST01A Entre las características que ofrece el RW-ST01A están

• Alimentación de 12-26V DC

• 2 salidas, una salida de voltaje seleccionable 0-5V/10V y una salida 4-20mA

• 2 potenciómetros para el ajuste del Zero y el Span para cada salida

• Permite conectar hasta 4 células de carga en paralelo de 350Ω, como lo son las células de carga tipo “S” que usaremos

(41)

29

Para la adquisición de datos se usará el DAQ USB-6008, que tiene convertidor A/D de 12 bits que proporcionara la siguiente resolución:

10 𝑉

2¹²− 1= 2,44 𝑚𝑉

Cálculo del error del sistema de acondicionamiento con el RW-ST01A

Figura 35. Parámetros técnicos del RW-ST01A

Para cálculo del error usáramos el valor de “Accuracy” que nos ofrece la tabla de parámetros técnicos del RW-ST01A 0.3% FS (Span) y el valor de “Repeatibility” que nos ofrece la tabla de parámetros técnicos de la célula de carga Tipo “S” 0.03% FS que tendremos en cuenta 2 veces al usar 2 células. El cálculo del error es el siguiente:

Ɛ_𝑾𝑪𝑬= Ɛ_𝒍𝒊𝒏+ Ɛ_𝒍𝒊𝒏+ Ɛ_{𝑹𝑾−𝑺𝑻𝟎𝟏𝑨} = 0.03 + 0.03 + 0.3 = 𝟎. 𝟑𝟔 %𝑭𝑺 Ɛ_𝑻𝑷𝑬 = √Ɛ_𝒍𝒊𝒏^𝟐+ Ɛ_𝒍𝒊𝒏^𝟐+ Ɛ_{𝑹𝑾−𝑺𝑻𝟎𝟏𝑨}^𝟐= 𝟎. 𝟑𝟎 %𝑭𝑺

(42)

30

(43)

31

5. Software para adquisición de datos y calibración

En este capítulo se detalla el software desarrollado, comenzando desde instalación de los programas necesarios, pasando por ejemplos sencillos de uso y finalmente explicando el software de calibración y acondicionamiento.

(44)

32

Instalación del Arduino IDE

Lo primero es instalar los drivers de Arduino descargando el instalador en el siguiente link:

https://www.arduino.cc/en/Main/Software

Figura 36. Página de descarga del Arduino IDE

Ya descargado el instalador usando el clic derecho lo ejecutamos como administrador y dejamos todas las opciones seleccionadas cuando nos deje escoger los componentes a instalar.

Figura 37. Opciones de instalación Arduino IDE

Aceptamos las preguntas que nos haga el instalador y terminamos el proceso, opcionalmente podemos comprobar que se ha instalado correctamente, observando que en el Administrador de dispositivos del Panel de control nos muestra que el ordenador reconoce el Arduino sin errores

Figura 38. Comprobación de instalación Arduino IDE

(45)

33

Instalación de LabVIEW

A través del enlace http://www.ni.com/es-es/shop/labview/download.html accedemos a la página de descarga, Seleccionamos EMPIECE UNA PRUEBA GRATIS > LabVIEW 2018

Figura 39. Selección de versión de LabVIEW

Nos pedirá que iniciemos sesión con una cuenta de National Instruments y que seleccionemos una versión de LabVIEW que utilicemos actualmente, seleccionamos una versión de LabVIEW (no importa cual) y Creamos o iniciamos sesión según sea el caso. Nos enviara a la página de descarga.

Figura 40. Página de descarga de LabVIEW

Al ejecutar el instalador nos va a preguntar por una ubicación donde extraer los archivos de instalación que se pueden eliminar una vez listo el proceso, le damos a “Unzip” y seguimos

Figura 41. Instalador de LabVIEW

(46)

34

Cuando nos pregunte por la licencia lo dejamos todo en blanco para usar LabVIEW en modo de evaluación, o bien introducimos el número de serie que proporciona el profesor como licencia para estudiantes válida por un año.

Figura 42. Licencia de LabVIEW

Abrimos LabVIEW, el cual nos preguntará para activar su licencia, le damos a “Evaluate”, si es que no tenemos licencia de UPCT, donde nos preguntará por una cuenta de usuario, iniciamos sesión y en el apartado “Organización” se puede poner UPCT

Figura 43. Inicio de sesión LabVIEW

Ya creada la cuenta, podremos iniciar sesión y se ampliara el periodo de evaluación a 45 días en el caso de no tener licencia. En el caso de licencia para estudiante UPCT será válida 1 año.

Figura 44. Validación de licencia LabVIEW

(47)

35

Lo siguiente es instalar el driver NI-VISA que soporta la comunicación serial desde el siguiente enlace: http://www.ni.com/es-es/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html

Figura 45. Descarga de Driver NI-VISA

Seleccionamos la última versión y se instala como como se hizo con el LabVIEW.

El VI Package Manager es un gestor de librerías para LabVIEW que procederemos a instalar (versión FREE) para posteriormente utilizarlo para instalar el paquete de software LINX que comunicara el Arduino Uno con LabVIEW. El VI Package Manager lo podemos descargar desde el siguiente enlace https://vipm.jki.net/get

Figura 46. Página de descarga del VI Package Manager

Ya instalado el VI Package Manager buscaremos el software LINX en su repositorio y haremos doble clic sobre él y lo instalaremos cuando nos aparezca la opción

Figura 47. Búsqueda del paquete de software LINX

(48)

36

Figura 48. Instalación del paquete de software LINX

Después seleccionar “Install” nos preguntara si aceptamos un acuerdo de licencia para instalar LINX y al finalizar nos confirmara que se ha instalado correctamente

Programar Arduino para convertirlo en tarjeta de adquisición de datos (DAQ)

Ya en este punto conectamos el Arduino Uno o similar por USB y compilamos el código que permitirá que el Arduino se comunique con LabVIEW, para hacerlo desde la pantalla de inicio de LabVIEW o un proyecto abierto, vamos a Tools -> MakerHub -> LINX -> LINX Firmware Wizard…

Figura 49. Desde la pantalla de inicio

(49)

37

Figura 50. Desde de un proyecto abierto

En el LINX Firmware Wizard en “Device Type” seleccionamos la placa Arduino que usemos, que en este caso es el Arduino uno.

Figura 51. LINX Firmware Wizard

En la siguiente pantalla seleccionamos el puerto de COM de nuestro Arduino. Si no se había conectado antes el Arduino, se conecta y se le da a “Refresh” para que aparezca su puerto.

(50)

38

Figura 52. LINX Firmware Wizard selección de puerto COM

En la siguiente pantalla la dejamos como esta y seguimos para que empiece a compilar la interfaz de LINX en el Arduino

Figura 53. LINX Firmware Wizard tipo de compilación

(51)

39

Figura 54. LINX Firmware Wizard fin de compilación

Podemos entrar en la página de ayuda de LINX que muestra en el cuadro de diálogo anterior y visualizar el video introductorio y ver que tenemos enlaces a tutoriales y ejemplos:

www.labviewhacker.com/linx

Podremos comprobar que todo funciona correctamente probando un ejemplo en “Launch Example” en la figura anterior.

Se abre el ejemplo Blink(simple) en el que se controla un led con un pulsador, se selecciona el puerto COM que esté usando el Arduino en “Serial Port” y la salida digital a la que se conecte el led que en este caso es la 12 en “Digital output channel”

Figura 55. Ejemplo Blink (simple).vi

(52)

40

Siguiendo el diagrama hacemos la conexión del Led en el Arduino, recordando que la patilla más corta del Led es el negativo y va conectada con la resistencia y que la patilla más larga es el positivo y va conectada directamente a la salida/entrada digital 12

Figura 56. Conexión de Led con Arduino Uno

Ya con todo conectado ejecutamos el ejemplo haciendo clic en la flecha Run en la interfaz del LabVIEW y comprobamos que podemos apagar y encender el led conectado al Arduino desde el pulsador verde. Como curiosidad si en LabVIEW cambiáramos el “Digital output channel” al 13 podríamos controlar el Led “L” del Arduino

Con Ctrl+E podemos ver el funcionamiento interno del programa

Figura 57. Diagramas de Bloques de Blink (simple).vi

• Lo primero es que observamos es un recuadro gris, este es un bucle while que seguirá haciendo iteraciones hasta que se active el botón stop o se detecte un error

• El bloque 1 comenzara la comunicación con Arduino

• El bloque 2 escribirá el valor que reciba del interruptor a la salida digital que le asignemos

• El bloque 3 cerrara la comunicación con el Arduino

• El bloque 4 se encarga de notificar los errores

• El bloque “Loop Rate” controlara el tiempo de espera entre iteraciones del bucle while

5.3.1 Ejemplos adicionales

Se pueden probar otros ejemplos desde el cuadro que usamos para instalar LINX con el botón

“Show Examples”. Para ello hay que volver a VI Package Manager, poner otra vez el cuadro de búsqueda LINX, y hacemos doble clic sobre el paquete LINX y se abrirá la siguiente imagen para ver los ejemplos.

(53)

41

Figura 58. Ejemplos adicionales con LINX

Este nos mostrara la carpeta donde se guardan los ejemplos con LINX, en este caso abriremos el ejemplo de la lectura de una entrada analógica (también se podría haber abierto desde el explorador de archivos directamente esta dirección):

Figura 59. Dirección de la carpeta de ejemplos de LINX

Siguiendo el siguiente diagrama conectamos un potenciómetro a una entrada analógica del Arduino, en este caso A0

Figura 60. Conexión de potenciómetro a Arduino Uno

(54)

42

Igual que en el ejemplo anterior introducimos el puerto COM y la entrada analógica en el programa y lo ejecutamos, deberíamos ver como variando el valor de la resistencia cambiamos el valor de la lectura de voltaje

Figura 61. Ejemplo Analog Read 1 channel.vi

Con Ctrl+E abrimos el diagrama de bloques, la única diferencia con respecto al ejemplo anterior es que ahora el bloque principal en vez de escribir en una salida digital va tomando muestras de una señal analógica y representa los valores que va obteniendo en una grafica

Figura 62. Diagramas de bloques de Analog Read 1 channel.vi

5.3.2 Guardar datos en un archivo Excel

Lo primero es guardar una copia de “Analog Read 1 Channel.vi” en otra dirección, por lo que vamos a File > Save As…, hacemos clic en “Continue…” y seleccionamos una nueva carpeta para la copia

(55)

43

Figura 63. Copia del ejemplo Analog Read 1 channel.vi

Desde la vista del diagrama de bloques hacemos clic derecho y seleccionamos Express >

Output >Write to Measure File y colocamos el bloque fuera del bucle while

Figura 64. Selección del bloque Write to Measurement File

Se nos abrirá la siguiente ventana al colocar el bloque, seleccionamos donde queremos guardar el archivo Excel y configuramos las demás opciones como muestra la siguiente imagen.

Figura 65. Configuración del bloque Write to Measurement file

(56)

44

Extendemos el bloque “Write to Measurement File” hasta que nos aparezca la opción

“Enable”, hacemos clic derecho sobre él y seleccionamos Create > Control

Figura 66. Introducir un control a Write to Measurement file

Hacemos clic derecho de nuevo sobre un espacio en blanco y agregamos el siguiente bloque en Express > Sig Manip > Set Attributes y lo ponemos al lado de “Write to Measurement File”

Figura 67. Selección del bloque Set Attributes

Aparecerá la siguiente ventana donde seleccionamos “Signal name” y “Unit” (Opcional), y le damos a OK

Figura 68. Configuración del bloque Set Attributes

(57)

45

Ya en este punto deberíamos tener algo parecido a la siguiente imagen conectando “Signal Out” y “Signals”

Figura 69. Avance del Diagrama de bloques

En el Bloque “Set Dynamic Data Attributes” en “Unit” hacemos Clic derecho y seleccionamos Create > Constant y en “Signal Name” Clic derecho Create > Control

Figura 70. Creación de Constant y Control para el bloque Set Attributes

Ya en este punto tendríamos hecha la parte de los bloques que se encargaran de crear el archivo Excel, ahora hace falta Crear un array que almacene las lecturas para introducirlo en los bloques anteriores.

Hacemos clic derecho sobre un espacio en blanco y seleccionamos Programming > Numeric

> DBL Numeric Constant y ponemos esta contante creada a la izquierda del bucle while, luego hacemos clic derecho sobre la constante y seleccionamos Change To Array, y conectamos este array al bucle while como se muestra abajo

Figura 71. Creación del array