Calculo y diseño mecánico de una celda de carga...
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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN TESINA Calculo y diseño mecánico de una celda de carga empleada en la medición de empuje para una turbina de gas. SEMINARIO EXTERNO PRESENTAN: Gomora Gomez Jesus Ivan Rivera Fragoso Keevyn Fernando ASESORES: Jorge Alberto Jines Guerrero Jorge Luis Garrido Téllez México, D.F. 24 de julio de 2015
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INSTITUTO POLITÉCNICO
NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA
MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN
TESINA
Calculo y diseño mecánico de una celda
de carga empleada en la medición de
empuje para una turbina de gas.
SEMINARIO EXTERNO
PRESENTAN:
Gomora Gomez Jesus Ivan
Rivera Fragoso Keevyn Fernando
ASESORES:
Jorge Alberto Jines Guerrero
Jorge Luis Garrido Téllez
México, D.F. 24 de julio de 2015
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Objetivo
Diseñar y construir una celda de carga, que permita conocer la magnitud del
empuje producido por una turbina de gas a escala mediante un análisis
experimental de esfuerzos, en base a la medición de la deformación de dicha
celda empleando para ello galgas extensiométricas.
Justificación
Este proyecto pretende beneficiar en gran medida el área educativa en La ESIME
Ticomán, ya que para obtener un mejor aprendizaje es necesario un correcto
balance entre la parte teórica y práctica. En muchas ocasiones el poder
comprobar y ver la representación física de valores calculados con fundamentos
teóricos facilita el entendimiento del tema e incluso motiva el saber que se está
aplicando de manera correcta la teoría, es por ello que con la elaboración de este
trabajo, que es de carácter multidisciplinario, se podrá mejorar el entendimiento
de diferentes temas principalmente en las áreas de termodinámica y estructuras
Enfocados en el área de termodinámica gracias a que se podrá comprobar de
manera experimental una de las principales características de un motor de este
estilo, se obtendrá la magnitud del empuje de una turbina de gas con el que
cuenta la escuela, este importante valor hasta ahora desconocido. Con dicho
valor se podrán completar diversos cálculos termodinámicos para obtener sus
propiedades termodinámicas.
Además la celda de carga que se construirá en este proyecto será útil para la
elaboración de prácticas y experimentos realizados por estudiantes y/o profesores
en áreas de estructuras pudiendo comprobar valores de esfuerzos y
deformaciones sobre un material de manera experimental, la celda de carga que
es presentada se basa en el principio de una viga sometida al efecto de flexión por
lo que puede llegar a tener más aplicaciones que la que se expone actualmente.
3
Alcance
Realizar el diseño y cálculo de un elemento que sea capaz de soportar de manera
adecuada los esfuerzos causados por la turbina en cualquier régimen de trabajo.
Realizar el modelado de la celda de cargar y llevar a cabo un análisis CAE.
En base a Instrumentación
Elaborar una interfaz de usuario
Obtener el empuje producido
Como Entregable se tendrá un banco de pruebas que albergará la celda de carga
que fue diseñada en este proyecto con la instrumentación y circuitos electrónicos
necesarios para su correcto funcionamiento, también se entregará una pequeña
guía que indicará la forma en la que debe de ser usado el banco y sus
instrumentos, y por último se entregará un trabajo escrito en el cual se indicara el
proceso que se llevó acabo para la realización del proyecto así como los
fundamentos teóricos/ prácticos que fueron empleados durante la realización del
mismo.
Metodología
Este proyecto constara de las siguientes etapas
1. Identificación de los requerimientos de diseño generales.
2. Se identificaran los puntos de fijación y el cómo será aplicada la carga que
ofrece la turbina de gas, así mismo se bosquejara la estructura para la
celda de cargar
3. Selección y modelado de perfil para el análisis mecánico.
4. El uso correcto de galgas extensiométricas nos entrega resultados muy
confiables sin embargo depende en gran media en cómo y dónde son
colocadas las galgas, por lo que la selección de un perfil ya preestablecido
nos ayudara a obtener una configuración de concentraciones de esfuerzo,
siendo de gran utilidad para la selección de la ubicación de las galgas
extensiométricas.
5. Adaptaciones al diseño.
4
6. Una vez modelado el perfil, se realizara un análisis CAE. Y a partir de este
si es necesario se harán las modificaciones pertinentes en cuanto a la
posición de las galgas o bien de ser necesario una reelección de perfil.
7. Manufactura del perfil.
8. Se realizaran los planos de la celda de carga y se llevaran a maquinar en
fresadora o CNC.
9. Diseño del circuito electrónico para la interfaz con el usuario
10. Para la lectura que arrojan las galgas es necesario contar con un
amplificador de voltaje para poder obtener las lecturas, por lo que es
necesario diseñar un circuito que permita esta amplificación y una
conversión analógica a digital. Se usara para el diseño del circuito MultiSim
Workbench y posteriormente será impreso sobre una Placa.
11. Instrumentación del perfil con galgas extensiométricas.
12. La instrumentación se llevara a cabo en el Laboratorio de Análisis
Experimental de Esfuerzos de ESIME Ticomán siguiendo la metodología
que con lleva este proceso.
13. Pruebas
14. En esta etapa se realizaran las pruebas y comprobación del objetivo
planteado
5
Índice OBJETIVO ....................................................................................................................................................... 2 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................................... 2 ALCANCE ........................................................................................................................................................ 3 METODOLOGÍA ............................................................................................................................................... 3 ÍNDICE ............................................................................................................................................................ 5 LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................................................... 7
CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE ......................................................................................................... 9
BANCO DE PRUEBAS ...................................................................................................................................... 9 ANTECEDENTES EN LA AVIACIÓN MEXICANA ................................................................................................. 9 TIPOS DE BANCOS DE PRUEBAS AERONÁUTICOS ........................................................................................ 11 ANTECEDENTES DE LA CELDA DE CARGA.................................................................................................... 12
Historia de la celda de carga ............................................................................................................... 12 Principios de operación de la celda de carga ................................................................................... 12 Celdas de carga hidráulica .................................................................................................................. 12 Celdas de carga neumáticas ............................................................................................................... 13
TIPOS DE CELDAS DE CARGA ....................................................................................................................... 14 Celda de carga de compresión ........................................................................................................... 14 Celda de carga de compresión/tensión.................................................................................................... 14 Celda de carga con viga en S ............................................................................................................. 15 Celda de carga de viga flexible ........................................................................................................... 15 Celdas de carga de plataforma y punto único .................................................................................. 15 Celdas de carga de cartucho .............................................................................................................. 16 Celda de carga de bajo perfil .............................................................................................................. 16
COMPARACIÓN DE DESEMPEÑO DE CELDAS DE CARGA .............................................................................. 17 Comparación de desempeño de celdas de carga ..................................................................................... 17
BENEFICIOS INDUSTRIALES DERIVADOS DEL EMPLEO DE GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS ............................ 19
CAPÍTULO 2 GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS ................................................................................... 20
CONSTRUCCIÓN DE GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS. ..................................................................................... 21 TIPOS DE GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS ...................................................................................................... 22 TIPOS DE ALEACIONES ................................................................................................................................ 24 OTROS TIPOS DE GALGAS ............................................................................................................................ 26 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE GALGA EXTENSIOMÉTRICAS......................................................................... 27
Diagrama para seleccionar galgas extensiométricas ...................................................................... 31 BENEFICIOS INDUSTRIALES .......................................................................................................................... 32
Aplicaciones de la Medición con Galgas Extensiométricas ............................................................ 32 Aplicaciones en estructuras metálicas ............................................................................................... 33 Aplicaciones en estructuras de concreto reforzado ......................................................................... 33
CAPÍTULO 3 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL ............................................................................. 34
PRINCIPIO DE OPERACIÓN ........................................................................................................................... 34 FUNCIONES DE ACONDICIONAMIENTO ......................................................................................................... 34
Excitación del puente ........................................................................................................................... 34 Amplificación de la señal ..................................................................................................................... 34 Filtrado de la señal................................................................................................................................ 35 Aislamiento de señal ............................................................................................................................ 35 Variación del factor de galga por la temperatura ............................................................................. 35
6
Resistencia y tolerancia ....................................................................................................................... 35 Efectos de la temperatura en la resistencia ...................................................................................... 35 Minimización de los efectos de la temperatura ................................................................................ 37
AMPLIFICADOR OPERACIONAL ..................................................................................................................... 37 Amplificador de Instrumentación ........................................................................................................ 37 AD620AN ............................................................................................................................................... 38 Comparación de los esquemáticos del AD620AN vs Amplificador Operacional ......................... 39 Ganancia AD620AN ............................................................................................................................. 39
CIRCUITO ELECTRÓNICO ............................................................................................................................. 40
CAPÍTULO 4 DISEÑO DE LA CELDA DE CARGA ............................................................................ 47
MODOS DE CARGA DE ELEMENTOS ELÁSTICOS ........................................................................................... 47 CLASIFICACIÓN DE ELEMENTOS TRANSDUCTORES ELÁSTICOS ................................................................... 48 COMPORTAMIENTO DE LA CELDA DE CARGA ............................................................................................... 51 DISEÑO DE LA BASE DEL BANCO DE PRUEBAS ............................................................................................. 52 MODELADO Y SIMULACIÓN DE LA CELDA DE CARGA. ................................................................................... 54
Geometría de celda de carga.............................................................................................................. 54 Mallado de la celda de carga. ............................................................................................................. 55 Deformación total del material. ........................................................................................................... 55 Deformaciones puntuales. ................................................................................................................... 56
CAPÍTULO 5 INSTRUMENTACIÓN DE LA CELDA DE CARGA. ..................................................... 57
PROCESO DE INSTRUMENTACIÓN ................................................................................................................ 58 VERIFICACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN .................................................................................................... 61 IDENTIFICACIÓN DE GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS ....................................................................................... 62 CALIBRACIÓN DE LA CELDA DE CARGA ........................................................................................................ 63
CONCLUSIONES .................................................................................................................................... 65
APÉNDICE ............................................................................................................................................... 66
Código en arduino ................................................................................................................................. 66 Tabla para obtención de Formula ............................................................................................................ 68 Dibujo Celda de Carga ............................................................................................................................. 71
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................................... 72
7
Lista de Figuras Figura 1.1 Motor JT8D en un banco de pruebas ......................................................................... 9
Figura 1.2 Primeros Talleres ........................................................................................................ 10
Figura 1.3 Hélice Anáhuac desarrollada en México por Villasana ......................................... 10
Figura 1.4 Banco de pruebas Manual para pruebas Hidráulicas ............................................ 11
Figura 1.5 Celda de carga a Compresión ................................................................................... 14
Figura 1.6 Celda de carga Compresión - Tensión .................................................................... 14
Figura 1.7 Celda de carga de viga en S ..................................................................................... 15
Figura 1.8 Celda de carga de Viga Flexible ............................................................................... 15
Figura 1.9 Celda de carga de cartucho ....................................................................................... 16
Figura 1.10 Celda de carga de bajo perfil .................................................................................. 16
Figura 2.1 Galga extensiométrica ................................................................................................ 20
Figura 2.2 Partes de la Galga ....................................................................................................... 21
Figura 2.3 Código Alfa numérico.................................................................................................. 23
Figura 2.4 Galga Metálica ............................................................................................................. 26
Figura 2.5 Pasos de Selección ..................................................................................................... 28
Figura 2.6 Paso 1: Longitud de la Galga .................................................................................... 28
Figura 2.7 Paso 2: Patrón de rejilla ............................................................................................. 29
Figura 2.8 Paso 3 y 4: Serie de galga y Opciones .................................................................... 29
Figura 2.9 Paso 5: Resistencia de la Galga ............................................................................... 30
Figura 2.10 Paso 6: Elección de STC (Self Temperature Control) ......................................... 30
Figura 2.11 Diagrama de Selección ............................................................................................ 31
Figura 2.12 Aplicación de la fuerza por medio de una cadena ............................................... 33
Figura 2.13 Ensayos en Concreto ............................................................................................... 33
Figura 3.1 Efectos de Temperatura en la resistencia ............................................................... 36
Figura 3.2 AD620AN ...................................................................................................................... 39
Figura 3.3 Amplificador operacional ............................................................................................ 39
Figura 3.4 Circuito inicial ............................................................................................................... 41
Figura 3.5 Circuito sobre Protoboard .......................................................................................... 42
Figura 3.6 Circuito sobre Protoboard ......................................................................................... 42
Figura 3.7 Aplicación de pesas de 200 gr, 5 pesas en total. Escala 1: 1,000,000 Volts .... 42
Figura 3.8 Ajuste de circuito con capacitores ............................................................................ 42
Figura 3.9 Ajuste de circuito con capacitores ............................................................................ 42
Figura 3.10 Adaptación de circuito a placa Fenólica ................................................................ 46
Figura 3.11 Adaptación de circuito a placa Fenólica ................................................................ 46
Figura 4.1 Elemento Elástico antes y después de carga .................................................................... 47
Figura 4.2 Modos de carga Elementos elásticos ............................................................................... 49
Figura 4.3 Tipos de celdas de carga más comunes ........................................................................... 50
Figura 4.4 Celda de carga a usar para el banco de pruebas .............................................................. 50
Figura 4.5 Comportamiento de celda de carga ................................................................................. 51
Figura 4.6 Primer diseño de la celda de carga .................................................................................. 52
Figura 4.7 Diseño Final de la Celda de carga ..................................................................................... 53
Figura 4.8 Geometría de la celda de carga ........................................................................................ 54
Figura 4.9 Mallado de la celda de carga ............................................................................................ 55
8
Figura 4.10 Deformación Total .......................................................................................................... 55
Figura 4.11 Deformaciones Puntuales .............................................................................................. 56
Figura 5.1 Ubicación de Galgas ......................................................................................................... 60
Figura 5.2 Ubicación de Terminales .................................................................................................. 60
Figura 5.3 Verificación de error menor al 5% ................................................................................... 61
Figura 5.4 Verificación del valor de la Resistencia de la Galga ......................................................... 62
Figura 5.5 Verificación de la dirección de deformación Tension (+) Compresión (-) ........................ 63
Figura 5.6 Calibración de la Celda de Carga con pesas de 250 gr. Cuatro pesas en total ................. 64
9
Capítulo 1 Estado del Arte
Banco de pruebas
Es el elemento base del sistema ya que sobre él actúan los elementos. Su función
principal es la de soportar el motor de pruebas así como controlar su
funcionamiento, la fiabilidad y estabilidad del funcionamiento del banco dependerá
en gran medida la exactitud de las diferentes pruebas y mediciones a efectuar.
Todos los fabricantes ruedan sus motores en los bancos de pruebas antes de
enviárselos a los usuarios. Si un motor falla durante el rodaje de prueba, ese
motor y aquellos con el mismo número de serie son desmontados para la
comprobación del fallo. Conforme se va ganando experiencia, cada vez son
menos los motores que son devueltos del banco de pruebas. La prueba se realiza
en una celda o sala de prueba completamente equipada para medir todos los
parámetros operacionales.
Figura 1.1 Motor JT8D en un banco de pruebas
Antecedentes en la aviación Mexicana
La necesidad de contar con bancos de pruebas aparece en la industria
aeronáutica mexicana desde el primer momento en que es necesario llevar a cabo
una prueba para determinar si una reparación hecha ha sido satisfactoria. Esta
necesidad se volvió de carácter imperioso al formarse las primeras aerolíneas, y
con ellas los talleres reparadores certificados. En México, esta industria se
desarrolló a principios del siglo XX y es en 1921, el 12 de julio, cuando se funda la
10
primera línea aérea de Norteamérica y la cuarta del mundo, la Compañía
Mexicana de Transportación Aérea, conocida como Compañía Mexicana de
Aviación.
El crecimiento de la aerolínea implicaba la adquisición de más aviones, dado el
crecimiento de la aeronáutica y el crecimiento de la empresa, surgió la necesidad
de contar con un grupo de mecánicos que atendiera las reparaciones y el
mantenimiento de forma completa. Más tarde se establecieron los talleres de la
compañía, donde se comenzó a dar mantenimiento adecuado a los aviones de la
misma. Ya para 1944, Mexicana contaba con magníficos talleres de hélices,
neumáticos, motores, accesorios, instrumentos y frenos.
Figura 1.2 Primeros Talleres
Figura 1.3 Hélice Anáhuac desarrollada en México por Villasana
11
Sin embargo, las reparaciones no son de todo efectivas si no existe una
comprobación de su efectividad, por lo que fue necesario desde los talleres de la
Mexicana, el desarrollo de bancos de prueba.
Tipos de bancos de pruebas aeronáuticos
Su clasificación está dada por el modo de operación, los cuales son: Manual,
Semiautomática o Automática. Esta última opción se define por las características
propias de la prueba a efectuar y es la más común debido a que es controlada por
medios electrónicos, como es el caso de las computadoras de vuelo.
La tendencia actual es la automatización en medida de que el componente a
evaluar es cada vez más sofisticado. Estos bancos integran el sistema electrónico
en equipos hidráulicos, neumático o de combustible.
Con este tipo de componentes la actualización avanza más en el sentido de los
instrumentos de medición, que ofrecen facilidad y precisión de lectura además de
la comunicación con un equipo de cómputo; sin embargo, la diferencia en costo
entre los equipos análogos y digitales hace que los equipos convencionales, de
operación manual sigan siendo una alternativa vigente, sobre todo cuando el
presupuesto para la inversión no es demasiado extenso.
Figura 1.4 Banco de pruebas Manual para pruebas Hidráulicas
12
Antecedentes de la celda de Carga
Historia de la celda de carga
Antes de que las celdas de carga con calibrador de tensión se volvieran el método
favorito para aplicaciones de medición de peso industrial, las básculas de
palancas mecánicas se usaban ampliamente. Las básculas mecánicas pueden
pesar todo, desde píldoras hasta tanques de ferrocarril y pueden hacerlo de
manera precisa y fiable con una calibración y un mantenimiento adecuados. El
método de operación puede implicar el uso de un mecanismo de equilibro de peso
o la detección de la fuerza generada por palancas mecánicas. Los primeros
sensores de fuerza previos al calibrador de tensión eran diseños hidráulicos y
neumáticos. En 1843, el físico inglés Sir Charles Wheatstone ideó un circuito en
puente que pudiera medir las resistencias eléctricas. El circuito de puente de
Wheatstone es ideal para medir los cambios de resistencia que ocurren en un
calibrador de tensión. Aunque el primer calibrador de tensión de resistencia
soldada se creó en la década de 1940, no fue hasta que llegó la electrónica
moderna que la nueva tecnología se volvió técnica y económicamente factible.
Desde ese momento, sin embargo, los calibradores de tensión han proliferado
tanto como componentes en las básculas mecánicas como en celdas de carga
autónomas. En la actualidad, excepto por ciertos laboratorios en los que se siguen
usando básculas mecánicas de precisión, las celdas de carga de calibrador de
tensión dominan la industria de la medición de peso.
Principios de operación de la celda de carga
Los diseños de celda de carga se pueden distinguir según el tipo de señal de
salida generada (neumática, hidráulica, eléctrica) o según la manera en que
detectan el peso (doblez, cizalla, compresión tensión, etc.).
Celdas de carga hidráulica
Son dispositivos equilibrados en fuerza, que miden el peso como un cambio en la
presión del fluido de relleno interno. En una celda de carga hidráulica de tipo de
diafragma, una carga o fuerza que actúa en una cabeza de carga se transfiere a
un pistón que a su vez comprime un fluido de relleno confinado dentro de una
13
cámara de diafragma elastomérico. A medida que aumenta la fuerza, la presión
del fluido hidráulico aumento. Esta presión se puede indicar en forma local o
transmitir para indicación o control remotos. La salida es lineal y relativamente no
es afectada por la cantidad de fluido de relleno ni su temperatura. Si las celdas de
carga se instalaron y calibraron correctamente, la precisión puede ser de menos
de 0.25% de escala completa o mejor, lo que es aceptable para casi todas las
aplicaciones de medición de peso en proceso. Debido a que este sensor no tiene
componentes eléctricos, es ideal para usar en áreas con riesgos. Las aplicaciones
típicas de celda de carga hidráulica incluyen medición de peso en tanque, depósito
y tolva. Para lograr la máxima precisión, el peso del tanque se deberá obtener al
ubicar una celda de carga en cada punto de apoyo y sumar sus salidas.
Celdas de carga neumáticas
Funcionan con el principio de equilibrio de fuerza. Estos dispositivos usan varias
cámaras de amortiguación para proporcionar mayor precisión que un dispositivo
hidráulico. En algunos diseños, la primera cámara amortiguadora se usa como una
cámara de peso de tara. Con frecuencia se usan para medir pesos relativamente
pequeños en industrias en las que la limpieza y la seguridad son de importancia
primordial. Las ventajas de este tipo de celda de carga incluyen que son
inherentemente a prueba de explosión e insensibles a las variaciones de
temperatura. Además, no contienen fluidos que pudieran contaminar el proceso en
caso de ruptura del diafragma. Entre las desventajas están una velocidad de
respuesta relativamente lenta y la necesidad de aire o nitrógeno limpio, seco y
regulado.
Celdas de carga de calibrador de tensión
Convierten la carga que actúa en ellas en señales eléctricas. Los calibradores en
sí están unidos a un haz o elemento estructural que se deforma cuando se aplica
peso. En casi todos los casos, se usan cuatro calibradores de tensión para
obtener la máxima sensibilidad y compensación de temperatura. Dos de los
calibradores normalmente están en tensión y dos en compresión, y están
cableados con ajustes de compensación. Cuando se aplica peso, la tensión
14
cambia la resistencia eléctrica de los calibradores en proporción a la carga. Otras
celdas de carga están cayendo en el olvido, mientras las celdas de carga de
calibrador de tensión siguen aumentando su precisión y reducen sus costos
unitarios.
Tipos de celdas de carga
Celda de carga de compresión
Las celdas de carga de compresión con frecuencia tienen un diseño de botón
integral. Son ideales para montarse en situaciones en las que el espacio está
restringido. Ofrecen excelente estabilidad a largo plazo.
Figura 1.5 Celda de carga a Compresión
Celda de carga de compresión/tensión
Se pueden usar para aplicaciones en las que la carga puede pasar de tensión a
compresión o viceversa. Son ideales para entornos con espacio restringido. Los
extremos roscados permiten una instalación fácil.
Figura 1.6 Celda de carga Compresión - Tensión
15
Celda de carga con viga en S
Reciben ese nombre por su forma en S. Estas celdas pueden ofrecer una salida si
está bajo tensión o compresión. Las aplicaciones incluyen nivel de tanque, tolvas y
básculas para camión. Ofrecen un rechazo superior a la carga lateral.
Figura 1.7 Celda de carga de viga en S
Celda de carga de viga flexible
Se usan en aplicaciones de varias celdas de carga, medición de peso de tanque y
control industrial y de proceso. Vienen con construcción de bajo perfil para
integración en áreas restringidas.
Figura 1.8 Celda de carga de Viga Flexible
Celdas de carga de plataforma y punto único
Se usan para sistemas de medición de pesos comerciales e industriales.
Proporcionan lecturas precisas sin importar la posición de la carga en la
plataforma.
Figura 1.9 Celda de carga de plataforma y punto único
16
Celdas de carga de cartucho
Se usan para aplicaciones para medición de peso individual y múltiple. Muchas
tienen un diseño totalmente en acero inoxidable y están herméticamente selladas
para áreas de lavado y húmedas.
Figura 1.9 Celda de carga de cartucho
Celda de carga de bajo perfil
Los orificios de montaje y las roscas hembra permiten una instalación fácil. Se
usan con frecuencia en investigación de medición de peso y en monitoreo de
fuerza en línea.
Figura 1.10 Celda de carga de bajo perfil
17
Comparación de desempeño de celdas de carga
Comparación de desempeño de celdas de carga Tipo Rango
de
peso
Precisión
(escala
completa)
Aplicaciones Puntos fuertes Puntos débiles
Celdas de carga mecánicas
Celdas de
carga
hidráulicas
Hasta
10,00
0,000
lb
0.25% Tanques,
depósitos y
tolvas.
Áreas peligrosas.
Aceptan impactos
fuertes,
insensibles a la
temperatura.
Costosas,
complejas.
Celdas de
carga
neumáticas
Ancho Alto Industria
alimenticia, áreas
peligrosas
Intrínsecamente
seguras.
No contiene fluidos.
Respuesta lenta.
Requiere aire
limpio y seco
Celdas de carga de calibrador de tensión
Celdas de
carga de
viga flexible
10-5k
lb
0.03% Tanques,
básculas de
plataforma,
Bajo costo, construcción
sencilla
Los calibradores
de tensión están
expuestos,
requieren
protección
Celdas de
carga de
viga de
cortante
10-5k
lb
0.03% Tanques,
básculas de
plataforma,
cargas
descentradas
Alto rechazo de carga
lateral, mejor
sellado y protección
Celdas de
carga de
cartucho
hasta
500k
lb
0.05% Básculas para
camión, tanque,
riel y tolva
Maneja movimientos de
carga
No hay protección
contra carga
horizontal
Celdas de
carga de
anillo y
pastel
5-
500k
lb
Tanques,
depósitos,
básculas
Totalmente en acero
inoxidable
No se permite
movimiento de
carga
Celdas de
carga de
botón y
arandela
0-50k
lb
0-200
lb
típico
1% Básculas
pequeñas
Pequeñas, económicas La carga debe ser
centrada, no
se permite
movimiento de
carga
Otras celdas de carga
Helicoidal 0-40k
lb
0.2% Plataforma,
montacargas,
carga de rueda,
peso de asiento
de automóvil
Maneja cargas fuera del
eje,
sobrecargas, impacto
18
Fibra óptica 0.1% Cables de
transmisión
eléctrica
, monturas en
perno o tornillo
Inmunes a interferencia
por
radiofrecuencia/interfere
ncia electromagnética y
altas temperaturas,
intrínsecamente seguras
Piezo
resistivas
0.03% Extremadamente
sensible, alto
nivel de señal de salida
Alto costo, salida
no lineal
Tabla 1.1 Comparación de desempeño
19
Beneficios industriales derivados del empleo de galgas
extensiométricas
Los sensores son extremadamente importantes en el mundo moderno. Se
emplean para medir muchas magnitudes distintas en numerosos ámbitos, como
los ensayos, la adquisición de datos, la automatización y la garantía de calidad. Es
un mercado en rápida expansión en el que cada vez se utilizan más principios de
detección distintos.
Esta tendencia hacia una oferta más amplia de tecnologías puede alimentar el
entusiasmo por los nuevos métodos. No obstante, también conviene valorar si las
tecnologías más establecidas presentan ventajas debidas a la creciente
experiencia acumulada durante años.
Por ejemplo, la galga de película metálica se basa en principios científicos muy
consolidados que han sido optimizados con avances tecnológicos que mejoran su
ajuste. Además, su instalación y uso son sencillos, y resultan económicas incluso
para las soluciones a pequeña escala. Las ventajas de las galgas de película
metálica compensan con creces sus inconvenientes.
20
Capítulo 2 Galgas extensiométricas
La galga extensiométrica es un transductor el cual es capaz de variar su
resistencia en función de la deformación que sufre la superficie sobre la cual está
colocada. La resistencia eléctrica es directamente proporcional a su longitud, de
tal manera que la resistencia aumenta cuando se alarga y disminuye cuando se
comprime.
Para poder realizar mediciones, este transductor se pega sobre la superficie del
objeto bajo estudio (metal, madera, concreto, plástico, etc.), cuando el objeto se
comprime o expande, la longitud del hilo metálico cambia en la misma proporción
y con ello la resistencia de la galga.
Este efecto se usa para hacer la medición de diferentes parámetros, como son:
Vibración, torsión, flexión, compresión, tensión, pesos, etc. Debido a su bajo costo,
linealidad, amplio rango de temperatura y condiciones de operación, las galgas se
emplean en los sectores industrial y comercial.
Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son alambres muy
pequeños de aleaciones metálicas, como por ejemplo constantán (Níquel 60%-
Cobre 40%), nicrom, Chromel (Níquel-Cromo), aleaciones (Hierro-Cromo-
Aluminio), elementos semiconductores como el silicio y el germanio o grabado en
laminillas metálicas delgadas. Es por ello que las galgas se clasifican en dos tipos:
las metálicas y las semiconductoras.
Figura 2.1 Galga extensiométrica
21
Construcción de Galgas extensiométricas.
La construcción de una galga extensiométrica involucra la unión de sus tres
partes principales, las cuales son:
La rejilla
La rejilla de la galga es la parte metálica que
cambia su resistencia en función de la
compresión o tensión
La base
La base es el soporte portador de la rejilla y es
fabricada de diferentes materiales aislantes,
Las etiquetas
Las etiquetas de la galga sirven para conectar la galga extensiométrica con el
circuito acondicionador de señal.
El proceso de fabricación de la galga comienza con la unión de una aleación
metálica sobre una base aislante, la cual se llama lámina. Posteriormente se
procede a colocar sobre la lámina un patrón de galgas. El patrón es un negativo
fotográfico con el cual se define la forma que tendrá la galga. Este patrón es
fotografiado y reproducido como negativos del tamaño y forma correcta de la
galga.
Posteriormente, con una técnica similar a la usada en la fabricación de circuitos
impresos, se produce la rejilla. La lámina que ha sido definida con una resina
fotosensible es atacada químicamente para remover el exceso de metal,
obteniendo con esto la rejilla de la galga.
Se usan técnicas ópticas y eléctricas para verificar que la rejilla cumpla con las
especificaciones requeridas. La rejilla requiere una protección contra el medio
ambiente, debido a esto se utiliza un encapsulado de la galga. El encapsulado
Figura 2.2 Partes de la Galga
22
consiste en cubrir con cemento nitrocelulosa a la rejilla y su base. La rejilla se
cubre con varias capas de nitrocelulosa para dar firmeza y flexibilidad a la galga.
Para proporcionarle características especiales a la rejilla y mejorar el rango de
temperatura de operación de la galga, se reemplaza el encapsulado de
nitrocelulosa por fibra de vidrio y resina térmica.
Las etiquetas de la galga son los soportes usados para fijar (soldar) los alambres
usados para conectar la galga con la instrumentación requerida para acondicionar
la señal. La base de la galga sirve para aislar la rejilla de la superficie de pegado.
En la galga se observan cuatro triángulos que sirven para orientar la galga en la
superficie de estudio.
Tipos de Galgas Extensiométricas
En esta sección nos basaremos en los modelos de galga extensiométrica de
Vishay Micro-Measurements puesto que es un fabricante de renombre mundial y
además serán las utilizadas en la medición.
El componente principal que determina las características de operación de un
galga extensiométrica es la aleación sensible al esfuerzo que compone la grilla de
papel metálico. Sin embargo, la aleación no es en todos los casos un parámetro
de selección independiente. Esto es porque cada serie de galga extensiométrica
de Micro-Measurements (identificada por las primeras dos o tres letras de un
código alfanumérico) se diseña como un sistema completo, compuesto por la
combinación de un respaldo y un papel metalizado particular que generalmente
incorpora otras características específicas (como encapsulamiento, pistas, etc.) a
las series.
La siguiente imagen muestra el significado de cada una de las siglas que
conforman el código alfa numérico que es empleado para diferenciar los tipos de
galgas extensiométricas.
23
Figura 2.3 Código Alfa numérico
.
Existen diversos tipos de galgas extensiométricas, cada una de las características
que se muestran en la imagen anterior puede cambiar, es por ello que a
continuación se muestra una tabla la cual incluye las diferentes variantes que
pueden existir de galgas extensiométricas así como el significado de cada una de
ellas.
Matriz Aleación Temperatura de Auto
compensación
Característica
Opcional
E
Cara Abierta,
respaldo de
Poliamida
El número STC es la aproximación
lineal del coeficiente de expansión
en ppm/°F de la estructura del
material sobre el cual la galga será
usada
W
Terminal de
circuito
Integral
impreso,
encapsulado
de poliamida
CE
Delgada, Galgas
Flexibles con
respaldo de
Poliamida y
características de
encapsulamiento
grande y robusto
recubiertas de cobre.
A
Aleación de
Constantan
Autocompensación
de temperatura
A 00, 03, 05, 06, 09, 13, 15,
18, 30, 50 E
Encapsulado
de Poliamida
dejando una
porción
expuesta a la
pestaña para
soldar
L2
Delgada, Laminada,
Película trasera de
poliamida, rejilla
encapsulada
P
Constantán
Templado P 08, 40 SE
Puntos de
soldadura más
encapsulado
de Poliamida
C2
Delgada, Laminada,
Película trasera de
poliamida, rejilla
encapsulada con
K
Aleación Níquel-
Cromo (Similar a
Karma)
K 00, 03, 05, 06, 09, 13, 15 L
Preformado,
Suave,
Conductores
de cobre
24
pines moldeables
W
Completamente
encapsulada,
reforzada con resina
Epoxi-Fenolica de
fibra de vidrio. Pines
conductores de alta
resistencia
D Aleación Isoelástica D
No disponible para
Temperatura de
Autocompensación
LE
Cables más
encapsulado
de Poliamida
N2
Provee sobre una
cara abierta, una
película poliamida de
alto rendimiento
------------ ------------ P
Prefijado de
cables y
encapsulado
S2
La rejilla y las
pestañas para soldar
tienen un delgado
encapsulamiento
total, Flexible,
Película de
Poliamida laminada.
Provee pastillas de
soldadura de 0.75
mm facilitando el
cableado
------------ ------------ P
Prefijado de
cables para 2
galgas CEA-
Series
S
Encapsulado
completo idéntico a
la matriz W, pero con
conexiones de
soldadura por puntos
en vez de pines
------------ ------------ ------------
Tabla 2.1 Variantes de las características de la galga extensiométrica
Tipos de Aleaciones
Aleación A: Provee la mejor combinación global de propiedades necesarias para
la mayoría de las aplicaciones de las galgas, al tener alta sensibilidad al esfuerzo,
y es relativamente insensible a la temperatura. Su resistividad al ser alta permite
obtener medidas y estimaciones que corresponden a la resistencia del material.
Tiene una vida útil considerablemente buena además de su gran capacidad de
elongación. Como desventaja se tiene que a temperaturas superiores a 65° C
tiende a exhibir un desvío continuo, por lo que su estabilidad en cero es crítica
sobre periodos prolongados.
25
Estas aleaciones son proporcionadas con autocompensación de temperatura
(STC, Self Temperature-Compensation) números 00, 03, 05, 06, 09, 13, 15, 18,
30, 40 y 50, para uso en materiales de prueba con el correspondiente coeficiente
de expansión térmico (expresado en ppm/ °F)
Aleación P: Es usado para la medición de esfuerzos muy grandes, 5% (50000
microstrain) o más. Posee una gran ductilidad que permite que galgas con
longitudes de 3mm o más, puedan ser tensadas más de un 20%. Se debe tener en
cuenta, que bajo grandes esfuerzos cíclicos, la aleación exhibirá cambios
permanentes en la resistencia por lo que no es recomendada para esfuerzos
cíclicos.
Las aleaciones P se pueden encontrar con temperatura autocompensada (STC)
con números 08 y 40 para metal y plástico, respectivamente.
Aleación D: También conocidas como Aleaciones Isoelásticas. Son usadas en
medidas dinámicas y de fatiga. Tiene larga vida útil soportando la fatiga en
comparación con las aleaciones A, y un alto factor de galga (aproximadamente
3.2) que mejora la relación señal- ruido en pruebas dinámicas. No están sujetas a
la autocompensación térmica, por lo que está aleación no es usada para medidas
de esfuerzo estático.
Aleaciones K o Karma: Tienen un gran campo de aplicación. Se caracteriza por
tener una vida útil y estabilidad excelente. Es muy utilizada para pruebas que
presentan estimaciones de esfuerzo estático que actúan por largo tiempo, se
recomienda para medidas estáticas extendidas de esfuerzo sobre los rangos de
temperatura que van de -269 a +260 °C. Para períodos cortos, pueden ser
expuestas a con diferentes coeficientes de expansión. Los números disponibles de
STC para aleaciones K son: 00, 03, 05, 06, 09, 13 y 15.
26
Otros tipos de galgas
Galgas Metálicas. Se constituyen por una base muy delgada y fina, a la cual se le
adhiere un hielo muy fino metálico, puede ser bobinado o plegable, al final las 2
terminales en las que acaba el hilo se unen a los transductores.
Figura 2.4 Galga Metálica
Galgas por resistencia .Este tipo es un conductor eléctrico que al ser deformado
aumenta su resistencia puesto que los conductores se vuelven más largos y finos.
Mediante el puente de Wheatstone, podemos convertir esta resistencia, en voltaje
absoluto. Generalmente es usada en condiciones de laboratorio.
Galgas por capacitancia. Son asociadas a características geométricas, son
usadas para medir esfuerzos y deformación. Las propiedades eléctricas de los
materiales usados para deformación tienen propiedades eléctricas despreciables,
por la cual los materiales de las galgas de capacitancia pueden ser calibrados
según requerimientos mecánicos. Esto les permite tener mejores calibraciones
respecto de las de tipo eléctrico.
Galgas Foto-Eléctricas. Mediante el uso de un extensómetro podemos amplificar
el movimiento de un espécimen, mientras un haz de luz es pasado a través de una
abertura variable, actuando con el extensómetro y directamente con una célula
fotoeléctrica. A medida que la galga cambia su apertura, también lo hace la
cantidad de luz que alcanza la célula, esto conlleva a que la intensidad de la
27
energía generada por la celda presente una variación, la cual es posible medir y
de esta obtener la deformación.
Galgas semiconductoras. En estas hay un elemento semiconductor en vez de
hilo metálico, su gran diferencia respecto a las demás galgas, es su tamaño tan
reducido. La potencia máxima disipable en galgas semiconductoras es de unos
250mW. Las galgas Semiconductoras tienen una vida larga respecto a la fatiga.
Criterios de selección de galga extensiométricas
Los factores que ayudan en la selección de la galga extensiométrica incluyen
evaluar diferentes parámetros como son: Variables físicas a estudiar (tensión,
aceleración, desplazamiento, etc.); superficie sobre la cual se va a pegar (metal,
concreto, madera, plástico, etc.) y la temperatura de operación (medio ambiente o
ambientes industriales).
A pesar del gran número de variables en juego, el proceso de selección de una
galga se puede resumir a sólo unos pocos pasos.
Con ayuda del siguiente diagrama y tomando como base el código de
designación de las galgas, se pueden identificar seis parámetros a seleccionar,
que son:
1) Longitud
2) Patrón
3) Serie
4) Opciones
5) Resistencia
6) Número STC
28
Figura 2.5 Pasos de Selección
Longitud de la galga
De todos los parámetros a seleccionar, la longitud y patrón de la galga son los
primeros en ser elegidos, el espacio disponible para montar la galga, la naturaleza
de los esfuerzos (uniaxiales, biaxiales, etc) y su gradiente, será el que determine
el tamaño adecuado de galga.
Figura 2.6 Paso 1: Longitud de la Galga
Como una buena medida inicial, se puede elegir una galga de 3mm de longitud.
Esta medida ofrece una amplia gama de posibilidades dentro de las cuales se
puede elegir los restantes parámetros de galgas como pueden ser el patrón, serie
y resistencia.
Por otro lado, una galga de longitud menor puede ser necesaria cuando el objeto a
medir registra concentraciones de esfuerzo, como en un codo u hoyo. Esto es
cierto, por supuesto, cuando las dimensiones para instalar la galga son
restringidas.
Patrón de rejilla
Cuando seleccionamos el patrón de rejilla, la primera consideración es si elegimos
una simple o si necesitamos una roseta.
Las grillas simples se proveen con diferentes relaciones (longitud-amplitud) y
varios tipos de almohadillas para adaptarse a las distintas instalaciones.
29
Cuando elegimos rosetas con tres elementos (rectangular o delta), lo primero que
tenemos que elegir es entre usar una construcción plana o apilada, esto después
de haber elegido la longitud
Figura 2.7 Paso 2: Patrón de rejilla
Serie de la galga
Con la selección inicial de longitud y patrón completada, el próximo paso es
seleccionar la serie de la galga, así determinaremos la combinación entre el papel
metálico y el material de respaldo, y cualquier otra característica común a la serie.
Esto se realiza consultando una tabla 2.1 en la cual existen recomendaciones para
cada serie en particular para ciertos requerimientos especificados.
Opciones (si existen)
Si la serie de la galga tiene alguna opción en particular, debe ser especificada en
esta instancia, puesto que se debe verificar la disponibilidad de la opción deseada
sobre el patrón de galga elegido previamente.
Figura 2.8 Paso 3 y 4: Serie de galga y Opciones
Resistencia de la galga
En la selección de las galgas se tiene que tomar en cuenta el costo,
particularmente en el caso de galgas pequeñas. Hay que tener en cuenta, que se
reduce la vida útil por fatiga para galgas de pequeñas dimensiones y altas
resistencias
30
Figura 2.9 Paso 5: Resistencia de la Galga
Número STC
Finalmente, para completar la designación del galga extensiométrica, debemos
elegir un número STC de entre todos los disponibles utilizando la tabla “Standard
Gage Series” en conjunción del catálogo 500, de “Micro-Measurements Precision
Galga extensiométricas”.
Figura 2.10 Paso 6: Elección de STC (Self Temperature Control)
31
Diagrama para seleccionar galgas extensiométricas
A continuación se presenta un pequeño diagrama con el cual se puede
seleccionar una galga extensiométrica de manera fácil y rápida dependiendo de la
aplicación que esta tenga
Figura 2.11 Diagrama de Selección
32
Beneficios industriales
Los sensores son extremadamente importantes en el mundo moderno. Se
emplean para medir muchas magnitudes distintas en numerosos ámbitos, como
los ensayos, la adquisición de datos, la automatización y la garantía de calidad. Es
un mercado en rápida expansión en el que cada vez se utilizan más principios de
detección distintos.
Esta tendencia hacia una oferta más amplia de tecnologías puede alimentar el
entusiasmo por los nuevos métodos. No obstante, también conviene valorar si las
tecnologías más establecidas presentan ventajas debidas a la creciente
experiencia acumulada durante años.
Por ejemplo, la galga de película metálica se basa en principios científicos muy
consolidados que han sido optimizados con avances tecnológicos que mejoran su
ajuste. Además, su instalación y uso son sencillos, y resultan económicas incluso
para las soluciones a pequeña escala. Las ventajas de las galgas de película
metálica compensan con creces sus inconvenientes.
Aplicaciones de la Medición con Galgas Extensiométricas
Las aplicaciones de las galgas extensiométricas son casi innumerables en la
medición electrónica de diferentes magnitudes mecánicas, tales como la presión,
la carga, la deformación, el torque, siendo su aplicación más directa la obtención
de deformaciones en estructuras tales como Aviones, Trenes, Puentes, Grúas,
Hormigón, Ejes, etc.
Según la aplicación de la medición, se puede destacar:
Construcción: para comprobar el asentamiento del hormigón al tiempo de
ser construido
Estructuras: medición en deformación de puentes, grúas, infraestructuras,
etc.
Industria: Ensayos de Resistencia en Motores, bombas, estructuras, etc.
Robótica: medición del esfuerzo de agarre de un robot
Vibraciones en máquinas
Medición de pesos
33
Aplicaciones en estructuras metálicas
Las galgas extensiométricas se pueden utilizar para medir la deformación en
estructuras metálicas. A continuación se ilustra un caso de aplicación de las
galgas extensiométricas:
Figura 2.12 Aplicación de la fuerza por medio de una cadena
Aplicaciones en estructuras de concreto reforzado
Se utilizan en el concreto reforzado para estudiar el comportamiento de este
material. Para esto se colocan dos placas metálicas sobre el concreto, de tal forma
que se pueda adherir las galgas extensiométricas. Las propiedades de estas
placas deben ser estudiadas con anterioridad ya que van a estar sobre el concreto
el cual será sometido a diferentes cargas.
Figura 2.13 Ensayos en Concreto
34
Capítulo 3 Acondicionamiento de Señal
Principio de operación
La señal de salida del sensor de un sistema de medición en general se debe
procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operación. La señal
puede ser, demasiado pequeña, y sería necesario amplificarla; podría contener
interferencias que eliminar; ser no lineal y requerir su linealización; ser analógica y
requerir su digitalización; ser digital y convertirla en analógica; ser un cambio en el
valor de la resistencia, y convertirla a un cambio en corriente; consistir en un
cambio de voltaje y convertirla en un cambio de corriente de magnitud adecuada,
etcétera. A todas estas modificaciones se les designa en general con el término
acondicionamiento de señal.
Funciones de acondicionamiento
Excitación del puente
Los acondicionadores de señal para galgas típicamente proveen una fuente de
voltaje constante para energizar el puente. Aunque no hay un nivel de voltaje
estándar reconocido en la industria, niveles de voltaje de excitación de entre 3 V y
10 V son comunes. Mientras un voltaje de excitación mayor genera
proporcionalmente un voltaje de salida mayor, el mayor voltaje puede causar
errores debido a sobrecalentamiento. Es importante recalcar que el voltaje de
excitación debe ser muy preciso y estable. De modo alternativo, se puede usar un
voltaje menos preciso o estable y medir el voltaje de excitación para calcular la
fuerza correcta.
Amplificación de la señal
Debido al bajo nivel de señal suministrado por el transductor, es necesario
amplificar la señal hasta un nivel que pueda ser procesado. Esto incrementa la
resolución de la medida y reduce el ruido de la señal.
35
Filtrado de la señal
Es necesario para remover cualquier frecuencia no deseada en la señal, previene
el efecto de aliasing (señales continuas que se tornan indistinguibles) y reduce el
nivel de ruido.
Aislamiento de señal
La incompatibilidad de tierras entre las tarjetas de adquisición de datos y las
señales a medir, es causa de los problemas comunes de medición. Usando
circuitos ópticos, amplificadores o transformadores, es posible aislar la señal.
Variación del factor de galga por la temperatura
Las aleaciones de metal usadas típicamente en las galgas muestran un cambio de
factor de la galga con la temperatura. En algunas aplicaciones el error debido a
estos efectos es tan pequeño que es ignorado. En otras, dependiendo de la
aleación, la temperatura y los requerimientos de precisión, puede ser necesaria la
corrección de la variación por temperatura. Para corregir esta variación en
aplicaciones que requieren alta precisión se utiliza un módulo compensador.
Resistencia y tolerancia
La resistencia de la galga no es una característica de desempeño, pero la
tolerancia que proporciona el fabricante del valor estándar es importante para el
buen funcionamiento del sistema de acondicionamiento. Para una galga de 120
ohm y 6 mm de longitud, la tolerancia típica es de 0.15% en circuito abierto. Para
galgas encapsuladas, muy pequeñas, resistencia alta o de diferentes aleaciones,
la tolerancia de la resistencia puede incrementar a 0.3% o más.
Efectos de la temperatura en la resistencia
Las cargas externas no son las únicas fuentes de esfuerzos y deformaciones en
una estructura. Los cambios de temperatura producen dilatación o contracción del
material, con lo cual se generan deformaciones térmicas o esfuerzos térmicos. En
la mayoría de los materiales estructurales la deformación térmica es proporcional
al cambio de temperatura. Todos los conductores eléctricos tienen una propiedad
36
llamada coeficiente de temperatura o coeficiente de dilatación térmica. La galga
extensiométrica está hecha de un material conductor lo cual significa que sufre
cambios de resistencia con la temperatura. En una galga extensiométrica hay un
efecto adicional cuando la galga está adherida al objeto bajo estudio. Si éste tiene
un coeficiente de temperatura diferente al coeficiente de la aleación de la galga; un
cambio en la temperatura producirá un cambio de resistencia y con ello una
medida de tensión debido a la diferencia de coeficientes de temperatura. En el
área de mecánica de materiales la combinación de estos cambios de resistencia
que ocurren, son interpretados y referidos como resultados térmicos. Para corregir
este efecto, la mayoría de galgas extensiométricas se fabrican con un coeficiente
de expansión térmica igual al metal del objeto bajo estudio y de esta forma se
compensan los efectos térmicos.
Figura 3.1 Efectos de Temperatura en la resistencia
37
Minimización de los efectos de la temperatura
Si utilizamos dos o cuatro galgas sobre un puente de Wheatstone, podemos
minimizar los efectos de la temperatura. Estas configuraciones son conocidas
como medio puente y puente completo, respectivamente. Teniendo las galgas
extensiométricas sobre el puente a la misma temperatura y montados sobre el
mismo material, cualquier cambio en la temperatura afectará a todas las galgas de
la misma manera. Puesto que los cambios de la temperatura son idénticos en
todas las galgas, la relación de sus resistencias no varía, y el voltaje de salida de
cada galga tampoco. La manera más fácil para corregir las variaciones causadas
por la temperatura es mediante la utilización de configuraciones de medio puente y
puente completo.
Amplificador Operacional
Se puede definir un amplificador operacional (AO), como un componente con una
gran ganancia, cuyo circuito básico o de partida es un par diferencial. En cuanto a
su modo de operación, está determinado por el lazo de realimentación (positiva,
negativa), el tipo de elemento/os contenidos en el mismo, así como su disposición
en dicho lazo. Consiguiéndose de esta forma, que el mismo A.O sea capaz de
realizar distintas operaciones.
Amplificador de Instrumentación
Los amplificadores de instrumentación han sido desarrollados para ser utilizados
en sistemas de instrumentación en los que las características de operación son
críticas. Las características de los amplificadores de instrumentación pueden
optimizarse si se diseñan como circuitos integrados, ya que en este caso, el
fabricante puede garantizar el diseño de los elementos críticos, haciendo que
tengan valores precisos y que las relaciones entre las características de elementos
emparejados tengan razones muy exactas, justo tal como se requiere en su
diseño.
38
La precisión y estabilidad de los amplificadores de instrumentación se realiza a
costa de limitar su flexibilidad. Son amplificadores que han sido diseñados para
ser utilizados únicamente como amplificadores, pero a cambio de ello,
proporcionan unas características excepcionalmente buenas, y además pueden
utilizarse sin necesidad de conocer con detalle su diseño interno y con sólo
interpretar su especificación externa.
AD620AN
Este es un amplificador de instrumentación de fácil acceso a bajo costo con alta
exactitud, que solo requiere de una resistencia externa para configurar una
ganancia de 1 a 10,000. Trabaja muy bien como preamplificador debido a su baja
entrada de ruido en voltaje de 9𝑛𝑉/√𝐻𝑧 en función de 1𝑘𝐻𝑧, 0.28𝜇𝑉 p-p en un
rango de 0.1 Hz a 10 Hz y 1𝑝𝐴/√𝐻𝑧 de entrada de ruido de corriente.
La ecuación de la ganancia es la siguiente
𝐺 =49.4𝑘Ω
𝑅𝐺+ 1
𝑅𝐺 =49.4𝑘Ω
𝐺 − 1
39
Comparación de los esquemáticos del AD620AN vs Amplificador
Operacional
Figura 3.2 AD620AN
Figura 3.3 Amplificador operacional
El uso del AD620AN permite tener una configuración electrónica más fácil y gran
exactitud comparada con el amplificador operacional.
Ganancia AD620AN
La ganancia necesaria para el proyecto debe de ser igual a 1000, pero por
cuestiones de mercado solo se encontró resistencias de 47 Ohm
40
G RG
1.1 494000
10 5488.88889
100 498.989899
1000 49.4494494
100000 0.49400494
150.69697 330
495 100
989 50
1052.06383 47
Tabla 3.1 Resistencias para Selección de Ganancia
Esta ganancia tiene un 5.2% más de la ganancia deseada, este valor será
necesario para ajustar los valores leídos por la celda de carga.
Circuito Electrónico
El circuito electrónico fue construido en diversas etapas
1.-Diseño en MultiSim Workbench del circuito electrónico con su respectiva
simulación. Con esta etapa, armar el circuito físico sobre la protoboard fue más
fácil al tener una visualización de las conexiones necesarias.
41
Figura 3.4 Circuito inicial
2.- Diseño de código para interpretar la señal de las galgas extensiométricas con
Arduino uno. Para este código se usó el ejemplo de ReadAnalogVoltage y
HelloWorld que con algunas modificaciones se logró medir las variaciones
generadas por la celda de carga. El código se muestra en el Apéndice 3.1.
42
3.- Circuito sobre protoboard
Figura 3.5 Circuito sobre Protoboard
Figura 3.6 Circuito sobre Protoboard
Figura 3.7 Aplicación de pesas de 200 gr, 5 pesas en total. Escala 1: 1,000,000 Volts
Las lecturas que se obtuvieron tenían demasiadas oscilaciones por lo que fue
necesario implementar capacitores para funcionar como filtro y eliminar el ruido.
Figura 3.8 Ajuste de circuito con capacitores
Figura 3.9 Ajuste de circuito con capacitores
43
4.- Ya con un valor estable, la siguiente etapa es para determinar una constante
que relacione la carga aplicada con un valor de voltaje, este proceso es iterativo,
con los datos obtenidos por métodos numéricos se calcula una ecuación lineal, la
pendiente se usa como factor de ajuste (f) para la siguiente iteración. A
continuación se muestran las gráficas correspondientes a cada iteración. Para
estas graficas se usaron 5 pesas de 200 gr cada una.
Gráfica 3.1 Iteración 1
Gráfica 3.2 Iteración 2
y = 0.4146x + 1535.5
1600
1700
1800
1900
2000
2100
0 200 400 600 800 1000 1200
Voltaje (V)
Carga (gr)
f=1
y = 0.1574x + 683.72
700
720
740
760
780
800
820
840
860
0 200 400 600 800 1000 1200
Vo
ltaj
e (
V)
Carga (gr)
f=0.416
44
Gráfica 3.3 Iteración 3
Gráfica 3.4 Iteración 4
Gráfica 3.5 Iteración 5
y = 0.0595x + 259.9151
260
270
280
290
300
310
320
330
0 200 400 600 800 1000 1200
Vo
ltaj
e (
V)
Carga (gr)
f=0.1574
y = 0.0220x + 98.4490
100
105
110
115
120
125
0 200 400 600 800 1000 1200
Vo
ltaj
e V
Carga (gr)
f=0.0595
y = 0.0083x + 36.3965
36
38
40
42
44
46
0 200 400 600 800 1000 1200
Vo
ltaj
e (
V)
Carga (gr)
f=0.022
45
A partir de este valor de pendiente (f) el ciclo se vuelve repetitivo variando de
0.022 a 0.0083, después de 0.0083 a 0.0022, por lo que el factor de corrección es
0.022, ya que la variación de voltaje con respecto a la carga tiene una
proporcionalidad de 1:1.
5.- Etapa de ajuste de resultados. Aun con el factor de proporcionalidad entre el
voltaje y la carga se tiene que hacer una consideración de perdida por parte de los
decimales no usados y otro ajuste debido a la ganancia extra que se tiene por
parte del resistor usado para el amplificador de instrumentación.
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑠𝑖𝑛 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎 =𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑙𝑒𝑖𝑑𝑜
(1 + 𝐺𝐸𝑥𝑡𝑟𝑎)
𝐺𝐸 = 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐸𝑥𝑡𝑟𝑎
El valor sin ganancia extra mantenía cierta proporcionalidad con el valor de la
carga real, por lo que fue necesario sacar un porcentaje de equivalencia entre el
valor sin ganancia y el real.
𝐸 =(𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑠𝑖𝑛 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑐𝑖𝑎) ∗ 100
𝐶𝐴
𝐶𝐴 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐴𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎
𝑉𝑅 =𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑠𝑖𝑛 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑐𝑖𝑎
𝐸
El porcentaje de equivalencia usado se determinó a partir de la moda, esto con el
fin de estandarizar los resultados debido a las oscilaciones que no fueron posibles
eliminar.
La ecuación final se puede escribir de la siguiente manera
𝑉𝑅 =𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑙𝑒𝑖𝑑𝑜
(1.052)(𝐸)(10)
Si E = 0.791349
𝑉𝑅 =𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝐿𝑒𝑖𝑑𝑜
8.32499148
46
El numero 10 solo es un ajuste por la escala usada para tener la medición en kg.
En el apéndice 3.2 se muestra la tabla que auxilio en el cálculo de la formula.
6.- Finalmente el circuito fue pasado a una placa Fenólica, para mayor seguridad y
presentación.
Figura 3.10 Adaptación de circuito a placa
Fenólica
Figura 3.11 Adaptación de circuito a placa
Fenólica
47
Capítulo 4 Diseño de la celda de carga
Modos de carga de elementos elásticos
Cuando una fuerza es aplicada causa esfuerzos y desplazamientos en el objeto
cuando actúa como se muestra en la figura. Si el desplazamiento es bloqueado,
solamente esfuerzos ocurren cuando un vector fuerza es aplicado en un cuerpo
deformable.
Al realizar mediciones de estos esfuerzos, podemos obtener la información
necesaria para determinar la fuerza actuante, dentro de este proyecto el objetivo
principal es obtener la fuerza total que el motor turborreactor puede entregar a
través de la fuerza del transductor.
Figura 4.1 Elemento Elástico antes y después de carga
Las mediciones de esfuerzos directos son difíciles para efectuar, estos deben ser
evaluados usando parámetros medibles, tales como deformaciones, que varían en
función a la carga. Diversos transductores de fuerza emplean elementos elásticos
simples (monoblock) o combinaciones de elementos en construcciones
ensambladas. La aplicación de fuerza en dichos elementos flexibles produce
deflexiones en este primer transductor, las cuales son entonces censadas por un
transductor secundario (ejemplo las galgas extensométricas) y convertidas en una
salida medible mediante un puente de Wheatstone que será explicado a detalle
más adelante.
48
Clasificación de elementos transductores elásticos
Existen múltiples criterios para la clasificación de elementos transductores
elásticos. El criterio más general es la forma: 1D-barra, 2D- placa, 3D-bloque.
Más específicamente, el esfuerzo principal (o deformación, debido a la conexión
de acuerdo a la ley de Hook) puede diferenciarlos: tensión y/o compresión, flexión,
corte, torsión, complejo o esfuerzo combinado. La literatura técnica anglo-
americana usa el término de sensibilidad de deformación de acuerdo a como
puede ser arreglado cada elemento elástico, en orden ascendente:
a) Tensión-compresión o directo
Un elemento columna puede ser en la forma de un sólido o una sección
transversal teniendo una forma circular o cuadrática.
Para alcanzar un circuito de cuatro brazos dos galgas son alineadas
paralelamente al eje de la carga axial y otras dos galgas a 90° para medir la
deformación de Poisson (representando aproximadamente la tercera parte de la
deformación principal. El área se la sección transversal de la columna incremente
en compresión y decremento en tensión. Este es un elemento típico de censado
dual.
b) Flexión
Un cantiléver simple es un ejemplo de una celda de carga a flexión. Cuando una
fuerza F o un torque M es aplicado en el extremo libre, si se flexiona la viga se
producen deformaciones opuestas en la parte superior y en la parte inferior.
Galgas extensiométricas pueden ser instalados cerca de la raíz de la viga para
censar deformaciones a tensión y compresión
c) Cortante
Elementos a cortante están basados en el hecho de que los esfuerzos cortantes
son proporcionales al a fuerza aplicada y son independientes de la posición de la
carga.
Los esfuerzos cortantes por si mismos no pueden ser medidos entonces un par de
galgas con sus líneas de acción de la misma, alienadas a ± 45º al eje neutral
están instaladas en ambos lados de la porción central de la viga para medir la
deformación principal y conectadas dentro de un circuito de puente completo.
49
Figura 4.2 Modos de carga Elementos elásticos
En la siguiente tabla están tipos de elementos elásticos y el rango de carga para
cada uno de ellos, esto puede ser muy útil con la finalidad de conocer qué tipo de
transductor usar.
Tabla 4.1 Elementos elásticos y su rango de carga
Como podemos observar en la tabla de elementos elásticos las cuales tienen el
rango de fuerza menor, es el doble momento flector, es por esta razón que fue
utilizada dentro de este proyecto, debido a la fuerza aproximada generada por el
motor es de 98 N. Entonces este elemento es el que más se acerca a este rango.
Las capacidades de rangos de las galgas extensiométricas son de 5N hasta más
de 50 MN además son las el tipo de galgas más comunes para los sistemas de
medición de fuerza, de acuerdo al instituto de medición y control de Londres.
50
Figura 4.3 Tipos de celdas de carga más comunes
La viga en cantiléver tiene una rigidez baja, altas deflexiones y es recomendado
para fuerzas bajas. Además es llamada barra de flexión prismática (con una
sección transversal rectangular constante). Este criterio justifica el uso de una viga
de doble-flexión que fue seleccionada.
Los perfiles de estos dobles barrenos circulares que fueron hechos sobre la celda
de carga incrementan la sensibilidad así como deformaciones internas uniformes
por tanto la posición de las galgas extensiométricas pueden ser determinadas. La
celda de carga usada es la mostrada en la Figura.
Figura 4.4 Celda de carga a usar para el banco de pruebas
51
Comportamiento de la celda de carga
En la siguiente imagen se puede apreciar el comportamiento que presenta una
celda de carga de similares características a la que será empleada en este
proyecto, este comportamiento es de gran utilidad a la hora de determinar el modo
de conexión para las galgas, más adelante se comprueba físicamente estas
características.
Figura 4.5 Comportamiento de celda de carga
52
Diseño de la base del banco de pruebas
En un principio la base se ideó con el objetivo de dar movilidad a la turbina durante
su funcionamiento fijándose sobre un sistema de rieles, de esta manera podría
moverse libremente sobre el eje que establecieran los rieles y con ese movimiento
podría ser determinado el empuje de la turbina.
La manera de medir el empuje sería utilizando una celda de carga en forma
hexagonal que mediría los esfuerzos a compresión, esta sería acoplada por un
lado en un barreno del marco y por el otro en el carro sobre los rieles que sostiene
la turbina. De esta manera al ser encendida la turbina el empuje ejercería una
presión directamente sobre la celda de carga.
La celda de carga propuesta fue diseñada en SOLIDWORKS y analizada en
ANSYS; el análisis resultante comprobó que la celda de carga trabajaba a
compresión como se puede observar en la Figura.
Figura 4.6 Primer diseño de la celda de carga
53
Sin embargo la idea fue descartada por que las medidas generadas por las galgas
dentro de ésta celda tendrían que tener un factor de corrección por la fricción de
las ruedas con los rieles, es decir el movimiento no sería libre.
Además la fuerza axial generada por el motor no era colonial al eje de carga de la
celda, tampoco había una distribución ecuánime del sistema dentro de la celda y
el proceso de manufactura de la celda, debido a sus dimensiones iba a resultar
complicado. Por estos motivos se descartó la celda de carga y con ello toda la
configuración del sistema cambió.
El diseño real fue en base a una celda de carga que se encuentra sometida
esfuerzos a flexión esta celda fue maquinada para crear aligeramientos y así
poder determinar más fácilmente las deformaciones que sufrirá, la celda estará
empotrada por los extremos y el empotre va a ir sujeto a la base y a la “tapa” que
tendrá un hueco por donde pasará la celda empotrada y en este extremo se fijará
la turbina como se muestra en el siguiente modelado
Figura 4.7 Diseño Final de la Celda de carga
54
Modelado y simulación de la celda de carga.
Para la elaboración de este proyecto se utilizó análisis de elemento finito asistido
por computadora, este análisis de la pieza se realizó con el fin de simular el
comportamiento que tendría la celda de carga y también para saber qué tipo de
galgas extensiometrica se tendría que usar, es necesario conocer el rango de
deformación que tendrá el material para no sobrepasar el permitido por las galgas.
El diseño de la celda fue el correcto ya que las deformaciones resultantes del
análisis no sobrepasaron el valor de deformación admisible por la galga
seleccionada.
El modelado se realizó en el módulo de Design Modeler de Ansys Workbench,
esto debido a que el diseño de la geometría de la celda es relativamente sencillo.
En cuanto al análisis es un análisis del tipo estático y fue realizado con Ansys
Workbench, a continuación se muestra en las siguientes imágenes el proceso de
modelado, mallado, simulación y resultados que se obtuvieron.
Geometría de celda de carga.
Figura 4.8 Geometría de la celda de carga
55
Mallado de la celda de carga.
Deformación total del material.
Fuerza aplicada 98 N.
Figura 4.10 Deformación Total
Figura 4.9 Mallado de la celda de carga
56
Deformaciones puntuales.
Figura 4.11 Deformaciones Puntuales
En esta última imagen se puede apreciar la deformación que tendrá el material en los puntos
donde serán colocadas las galgas extensiometricas, se puede observar que los valores de
deformación son muy pequeños, estando dentro del rango de deformaciones que soportan las
galgas extensiometricas que rondan entre los 1500 – 1800 micro deformaciones.
57
Capítulo 5 Instrumentación de la celda de carga.
La instrumentación de la celda es el conjunto de pasos requeridos para adherir la
galga extensiométrica en la superficie de la celda de carga. Debido a que la galga
extensiométrica es un dispositivo extremadamente sensible, capaz de registrar los
efectos más pequeños de una unión imperfecta, debe asegurarse estabilidad y un
adecuado pegado.
Para ello es necesario seguir una serie de pasos que se resumen en: lijar la
superficie para dejarla lo más homogénea posible, desengrasar y neutralizarla
para evitar contaminantes, finalmente el pegado y protección de la galga.
Para colocar y preparar las galgas en la celda de carga, se usaron los siguientes
materiales:
Acondicionador
Neutralizador
Catalizador
Adhesivo
Solvente
Resina
Extensómetro y respectiva terminal
Probeta
Lijas 420, 600
Cotonetes
Gasas
Alcohol isopropílico
Superficie de vidrio
Estaño para soldar
Regla
Pasta
Cinta adhesiva
Tijeras
58
Equipo
Multímetro
Cautín
Estaño
Alambre de cobre
Proceso de Instrumentación
1) La superficie se lija para remover cualquier cosa adherida (oxido, pintura,
revestimientos, etc.), y para crear una textura conveniente en la superficie
de pegado. Se utilizó una lija 420, posteriormente se usa lija 600, después
de eso se usó el acondicionador M-PREP CONDITIONER A. Se limpió con
una gasa la superficie.
2) La orientación deseada de las galgas extensométricas en la superficie debe
ser marcada con un par de cruces, perpendiculares entre sí. Estas líneas
sirven como referencia para alinear la galga con los triángulos de
orientación. Para el aluminio estas líneas de orientación son marcadas o
escritas con un lápiz de punto medio semidura 4H. Se aplicó el
acondicionador hacia un solo sentido con un cotonete hasta que la punta no
mostró suciedad o residuos del grafito. La superficie debe de mantener una
humedad constante con el Conditioner A, hasta que se limpia
completamente.
3) Se aplicó sobre la probeta el M_PREP NEUTRALIZER y se esparció con el
cotonete. Se limpió en un solo sentido con la gasa y después con el
cotonete, recordar que solo se hace en un sentido, pues en ambos solo se
conseguirá regresar los contaminantes
4) Se retiró el extensómetro de su envoltura y se colocó en una superficie de
vidrio, previamente limpiada con alcohol isopropílico. Se colocó un trozo de
cinta adhesiva sobre el extensómetro. Posteriormente se levantó con el
extensómetro ya adherido con un ángulo de 45° para evitar daños al
extensómetro.
59
5) Se posicionaron las marcas del extensómetro con las líneas de referencia
en la probeta. Para corregir se levantó de un extremo de la cinta hasta que
quedo bien ajustada.
6) Se levantó la cinta, presionando un extremo para mantenerla alineada
hasta que el extensómetro estuvo libre de la superficie de la probeta,
quedando boca arriba el extensómetro por consiguiente se aplicó el
catalizador M-BOND 200 en la parte posterior del extensómetro, se aplicó
en una capa delgada para esto se quitó el excedente de la brocha 12 veces
en la boquilla del frasco. Se dejó secar el catalizador.
7) Se colocaron dos gotas de adhesivo en la probeta, teniendo en cuenta que
debieran coincidir con la posición del extensómetro.
8) Se giró la cinta adhesiva y se aplicó una carga firme con una gasa sobre la
probeta, manteniendo presionado el extensómetro a la probeta con el
pulgar por 2 minutos.
9) Ahora el extensómetro ya estaba unido firmemente a la probeta, se retiró la
cinta adhesiva lenta y uniformemente evitando la posibilidad de que el
extensómetro se despegue.
10) Se revisó el valor de la resistencia de los extensómetros mientras se
soldaban las terminales asegurando que el dispositivo aun funcionaba
correctamente
11) Se aplicó M-LINE ROSIN SOLVENT para limpiar y quitar residuos, al
finalizar se aplicó M-BOND ADHESIVE RESIN para proteger tanto al
extensómetro como a las terminales.
En la siguiente imagen se puede apreciar la ubicación en la que fueron pegadas
las galgas extensiométricas.
60
Figura 5.1 Ubicación de Galgas
Figura 5.2 Ubicación de Terminales
61
Verificación de la instrumentación
La verificación es el proceso para determinar si existe fuga de resistencia e
identificar problemas como: Daños de la base de la galga, humedad, solventes o
problemas desconocidos, además indica si existe una incompleta fase de pegado
o de protección de la galga.
En el proceso de verificación se empleó un dispositivo de micro measurements
comúnmente conocido como “tester” se fueron conectando galga por galga y
midiendo sus valores de resistencia en diferentes proporciones, Todos las
verificaciones realizadas confirmaron la correcta instalación de cada una de las
galgas. En las figuras se puede observar el dispositivo mencionado y la forma en
la que se hizo la conexión de las galgas.
Figura 5.3 Verificación de error menor al 5%
62
Figura 5.4 Verificación del valor de la Resistencia de la Galga
Identificación de galgas extensiométricas
Antes de realizar el soldado de las galgas y de realizar las conexiones para utilizar
el puente de Wheatstone es necesario saber cómo se comportan cada una de las
galgas para saber este importante dato se realizaron mediciones a cada una de
las galgas con un soldado provisional.
Se logró detectar el comportamiento de cada galga ya que como se mencionó en
la parte teórica para este tipo de celda de cargas dos de las galgas estarán
comportándose a tensión y las otras dos a compresión.
En la siguiente figura se puede apreciar que efectivamente la mitad de las galgas
se comportan a compresión y esto se identifica con un signo menos en las
mediciones, mientras que la otra mitad se comporta a tensión mostrando
mediciones con signo positivo, esto es de gran ayuda para poder conectar de
manera correcta el puente de Wheatstone.
63
Figura 5.5 Verificación de la dirección de deformación Tension (+) Compresión (-)
Calibración de la celda de carga
Para poder obtener la calibración se requiere obtener un modelo de su
comportamiento.
El proceso que se llevó a cabo fue la aplicación aplican cargas conocidas y
posteriormente se realizó la medición del voltaje que genera la galga mediante la
variación de la resistencia. Analizando esta respuesta en voltaje se puede inferir
cuál fue la carga a la que estuvo sometido dicho sensor.
Los pasos más importantes del algoritmo son:
Determinar el voltaje sin carga (Vcero).
Someter los sensores a cargas conocidas.
64
Cálculo de la pendiente y abscisa utilizando mínimos cuadrados.
Cálculo del voltaje de ajuste.
El proceso que se llevó a cabo para la calibración de la Celda de carga se muestra
en las figuras
Figura 5.6 Calibración de la Celda de Carga con pesas de 250 gr. Cuatro pesas en total
65
Conclusiones
En el presente proyecto se llevó a cabo el diseño, construcción, simulación y
pruebas experimentales para una celda de carga con la aplicación de galgas
extensiométricas con el fin de obtener parámetros físicos del funcionamiento de un
motor de uso aeronáutico.
Se realizó un análisis de elemento finito que permitió conocer el comportamiento
que tendría el elemento diseñado en condiciones reales es decir con los valores
de carga esperados, esta información permitió saber la mejor ubicación para
colocar las galgas extensiométricas, ya que se tiene que tener en cuenta que
estas deformaciones están limitadas a un rango que es definido por las
características de fabricación de la galga si este rango de deformaciones es
excedido la galga puede sufrir deformaciones permanentes.
En cuanto a los resultados obtenidos corresponden a un 90 % del valor real, esto
se debe a que la circuitería utilizada es de uso estudiantil, lo que significa que es
de bajo costo, y su exactitud puede variar.
Para poder lograr una exactitud superior se puede implementar una etapa
adicional en el circuito, esto con el objetivo de mejorar el acondicionamiento de la
señal obtenida por las galgas, ya que las vibraciones generadas por el motor son
grandes y generan ligeras variaciones en la lectura de las galgas.
66
Apéndice
Código en arduino /*
Authors: Gomora Gomez Jesus Ivan & Rivera Fragoso Keevyn Fernando
This code has its basis on ReadAnalogVoltage example code of
arduino
*/
// include the library code:
#include <LiquidCrystal.h>
// initialize the library with the numbers of the interface pins
LiquidCrystal lcd(7, 8, 9, 10, 11 , 12);
// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
// set up the LCD's number of columns and rows:
lcd.begin(16, 2);
// initialize serial communication at 9600 bits per second:
// Print a message to the LCD.
lcd.print("Empuje");
Serial.begin(9600);
}
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
// read the input on analog pin 0:
int sensorValue = analogRead(A0);
// Convert the analog reading (which goes from 0 - 1023) to a
voltage (0 - 5V):
float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0);
float carga = ((1000 * voltage * 0.022 - 31.25) )/
(8.32499148);
// print out the value you read:
// set the cursor and print
67
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("kg = ");
lcd.setCursor(6,0);
lcd.print(carga);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("N = ");
lcd.setCursor(6,1);
lcd.print(carga * 9.81);
delay(1000);
}
68
Tabla para obtención de Formula
Resultado usando
Moda Promedio
VALOR LEIDO
5.2% por ganancia
Carga Aplicada
% de señal de la carga real
kg kg
1.29 1.226235741 200 0.613117871 0.154954955 0.156423892
1.61 1.530418251 200 0.765209125 0.193393393 0.195226718
1.61 1.530418251 200 0.765209125 0.193393393 0.195226718
1.72 1.634980989 200 0.817490494 0.206606607 0.208565189
1.61 1.530418251 200 0.765209125 0.193393393 0.195226718
1.72 1.634980989 200 0.817490494 0.206606607 0.208565189
1.72 1.634980989 200 0.817490494 0.206606607 0.208565189
1.72 1.634980989 200 0.817490494 0.206606607 0.208565189
1.72 1.634980989 200 0.817490494 0.206606607 0.208565189
1.61 1.530418251 200 0.765209125 0.193393393 0.195226718
1.61 1.530418251 200 0.765209125 0.193393393 0.195226718
1.72 1.634980989 200 0.817490494 0.206606607 0.208565189
3.01 2.86121673 400 0.715304183 0.361561562 0.364989082
3.33 3.16539924 400 0.79134981 0.4 0.403791908
3.01 2.86121673 400 0.715304183 0.361561562 0.364989082
3.33 3.16539924 400 0.79134981 0.4 0.403791908
3.33 3.16539924 400 0.79134981 0.4 0.403791908
3.22 3.060836502 400 0.765209125 0.386786787 0.390453436
3.33 3.16539924 400 0.79134981 0.4 0.403791908
3.22 3.060836502 400 0.765209125 0.386786787 0.390453436
3.33 3.16539924 400 0.79134981 0.4 0.403791908
3.22 3.060836502 400 0.765209125 0.386786787 0.390453436
3.22 3.060836502 400 0.765209125 0.386786787 0.390453436
3.33 3.16539924 400 0.79134981 0.4 0.403791908
3.44 3.269961977 400 0.817490494 0.413213213 0.417130379
5.05 4.800380228 600 0.800063371 0.606606607 0.612357097
5.05 4.800380228 600 0.800063371 0.606606607 0.612357097
4.94 4.69581749 600 0.782636248 0.593393393 0.599018626
4.94 4.69581749 600 0.782636248 0.593393393 0.599018626
4.84 4.600760456 600 0.766793409 0.581381381 0.586892742
4.94 4.69581749 600 0.782636248 0.593393393 0.599018626
4.94 4.69581749 600 0.782636248 0.593393393 0.599018626
4.94 4.69581749 600 0.782636248 0.593393393 0.599018626
4.94 4.69581749 600 0.782636248 0.593393393 0.599018626
4.94 4.69581749 600 0.782636248 0.593393393 0.599018626
69
4.94 4.69581749 600 0.782636248 0.593393393 0.599018626
5.05 4.800380228 600 0.800063371 0.606606607 0.612357097
5.05 4.800380228 600 0.800063371 0.606606607 0.612357097
6.56 6.235741445 800 0.779467681 0.787987988 0.795457932
6.66 6.330798479 800 0.79134981 0.8 0.807583815
6.66 6.330798479 800 0.79134981 0.8 0.807583815
6.66 6.330798479 800 0.79134981 0.8 0.807583815
6.56 6.235741445 800 0.779467681 0.787987988 0.795457932
6.66 6.330798479 800 0.79134981 0.8 0.807583815
6.66 6.330798479 800 0.79134981 0.8 0.807583815
6.66 6.330798479 800 0.79134981 0.8 0.807583815
6.66 6.330798479 800 0.79134981 0.8 0.807583815
6.66 6.330798479 800 0.79134981 0.8 0.807583815
6.77 6.435361217 800 0.804420152 0.813213213 0.820922286
8.28 7.870722433 1000 0.787072243 0.994594595 1.004023121
8.28 7.870722433 1000 0.787072243 0.994594595 1.004023121
8.38 7.965779468 1000 0.796577947 1.006606607 1.016149004
8.28 7.870722433 1000 0.787072243 0.994594595 1.004023121
8.38 7.965779468 1000 0.796577947 1.006606607 1.016149004
8.38 7.965779468 1000 0.796577947 1.006606607 1.016149004
8.38 7.965779468 1000 0.796577947 1.006606607 1.016149004
8.38 7.965779468 1000 0.796577947 1.006606607 1.016149004
8.28 7.870722433 1000 0.787072243 0.994594595 1.004023121
8.38 7.965779468 1000 0.796577947 1.006606607 1.016149004
Moda 0.79134981
Promedio 0.783918444
70
Apéndice 3 Circuito Electronico
71
Dibujo Celda de Carga
72
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Vistitadas 21 de Julio de 2015
![Celda de flotacion de Laboratorio EDEMETid85]1.pdf · Title: Celda de flotacion de Laboratorio EDEMET Author: EDEMET Subject: Celda de flotacion Keywords: celda de flotacion; concentracion](https://static.fdocuments.ec/doc/165x107/5ba4202109d3f2c0278ce248/celda-de-flotacion-de-laboratorio-id851pdf-title-celda-de-flotacion-de-laboratorio.jpg)
