instrumentacion de un tribometro
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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y CIENCIAS ATMOSFÉRICAS “Automatización electrónica y digital De un tribómetro Cilindro-cilindro” T E S I S Que para obtener el Título de: INGENIERO EN INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Presenta: HÉCTOR AUGUSTO GAITÁN LAGUNES Director de Tesis: M en I.A. Leticia Cuéllar Hernández CoDirector de Tesis: Dr. Andrés López Velázquez Xalapa Ver. 2013
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se trata de la instrumentación de un tribómetro cilindro-cilindro
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UNIVERSIDAD
VERACRUZANA
FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Y CIENCIAS ATMOSFÉRICAS
“Automatización electrónica y digital
De un tribómetro Cilindro-cilindro”
T E S I S
Que para obtener el Título de:
INGENIERO EN INSTRUMENTACIÓN
ELECTRÓNICA
Presenta:
HÉCTOR AUGUSTO GAITÁN LAGUNES
Director de Tesis:
M en I.A. Leticia Cuéllar Hernández
CoDirector de Tesis:
Dr. Andrés López Velázquez
Xalapa Ver. 2013
Índice
Introducción ................................................................................................................................... i
Capítulo 1. Tribología e instrumentación electrónica ................................................................... 2
1.1 Antecedentes ...................................................................................................................... 2
1.2 Planteamiento del problema .............................................................................................. 6
1.3 Hipótesis .............................................................................................................................. 6
1.4 Objetivos ............................................................................................................................. 6
1.4.1 Objetivo general: .......................................................................................................... 6
1.4.2 Objetivos particulares: ................................................................................................. 7
1.5. Preguntas de Investigación ................................................................................................ 7
1.6. Justificación ........................................................................................................................ 8
1.6.1 Viabilidad ...................................................................................................................... 8
1.6.2 Beneficios de la Investigación ...................................................................................... 8
CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE HARDWARE A UTILIZAR. ............................. 9
2.1 Terminales de entradas y salidas de la tarjeta NI USB 6008 ............................................... 9
2.1.1 Terminales de entrada y salida Analógicas ............................................................... 10
2.1.2 Entradas Digitales ....................................................................................................... 11
2.2 Parámetros a medir ........................................................................................................... 12
2.2.1 Temperatura del aceite lubricante ............................................................................. 12
2.2.2 Vueltas de la Probeta móvil ....................................................................................... 12
2.3 sensores y elementos electrónicos ................................................................................... 13
2.3.1 Sensor de temperatura .............................................................................................. 13
2.3.2 Contador de vueltas ................................................................................................... 14
2.3.3 Control de temperatura ............................................................................................. 15
2.3.4 Variador Siemens ....................................................................................................... 20
CAPÍTULO 3. PROGRAMA EN LABVIEW ....................................................................................... 22
3.1 introducción al programa .................................................................................................. 22
3.1.1 Lectura de temperatura ............................................................................................. 22
3.1.4 Control del variador de frecuencia siemens .............................................................. 25
3.1.5 Funciones para el manejo de tiempo y terminación del programa ........................... 26
3.1.6 Programa lector de reportes ...................................................................................... 27
CAPÍTULO 4. AUTOMATIZACIÓN DEL TRIBÓMETRO ................................................................... 29
4.1 Características previas del tribómetro de cilindro-cilindro ............................................... 29
4.2 Descripción de una prueba previa a la instrumentación electrónica del tribómetro ....... 29
4.3 Descripción de una prueba por medio de la instrumentación electrónica del tribómetro
................................................................................................................................................. 29
4.4 Pasos para realizar una prueba ......................................................................................... 29
4.5 Resultados ......................................................................................................................... 31
CONCLUSIONES. .......................................................................................................................... 33
ANEXO ......................................................................................................................................... 34
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 35
Introducción
Gracias a la instrumentación electrónica podemos optimizar equipos que requieren una
medición constante en las variables que se estudian, por medio de sensores,
controladores y acondicionadores de señal, lo cual facilita la utilización de equipos en
diferentes ramas de la investigación.
En este trabajo de tesis, por medio de elementos electrónicos y la tarjeta de Labview, se
buscara sensar y controlar elementos que en este caso la tribología estudia en una
prueba, dando así al investigador una perspectiva más exacta y más confiable de cómo
se van desarrollando los factores en la prueba, permitiendo llegar a un resultado óptimo
para generar resultados concretos.
Las aplicaciones de la tribología se encuentran en múltiples áreas de la vida cotidiana:
desde el uso de un vehículo (con motor o sin motor), en las maquinarias que nos rodean
o donde sea que dos superficies estén en contacto y tengan movimiento. Por eso es
necesario su constante estudio y su perfeccionamiento, para así dar como resultado
equipos de mayor desempeño y menor pérdida por fricción y desgaste.
El estudio de la fricción, lubricación y el desgaste permitirán descubrir qué elementos
son mejores lubricantes o qué materiales sufren menor desgaste así como evitar una
fricción en un sistema para su óptimo desempeño. Es por eso que, la tribología es una
ciencia importante en el diseño de maquinarias y sistemas donde existan superficies en
contacto relativo.
De esta forma el desarrollo de este trabajo se plantea en cuatro capítulos organizados de
la siguiente manera: en un primer capítulo se plantea la problemática, en el segundo
capítulo se presentan los elementos a utilizar en la solución de dicha problemática, el
tercer capítulo se describe el proceso de automatización y en el último capítulo se
presentan las pruebas y resultados.
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Capítulo 1. Tribología e instrumentación electrónica
1.1 Antecedentes
La tribología es la ciencia que se dedica al estudio de la fricción, el desgaste y la
lubricación que se da durante el contacto entre superficies sólidas en movimiento[1].
Su origen surge de la necesidad de reducir la fricción y desgaste para conservar y
reducir energía, lograr movimientos más rápidos y precisos, incrementar la
productividad y reducir el mantenimiento (preventivo, correctivo).
La invención de la rueda en el año 3500 A.C. Demuestra el interés de nuestros
antepasados por reducir la fricción en movimientos de traslación. Otro ejemplo histórico
es el de los egipcios los cuales ya tenían el conocimiento de la fricción y los lubricantes,
esto se puede apreciar en el transporte de grandes bloques de piedra para la construcción
de sus pirámides y monumentos, para lo cual utilizaban agua o grasa animal como
lubricante. Incluso figuras históricas han pensado en la problemática del desplazamiento
y sus posibles soluciones, fue el artista-científico renacentista Leonardo Da Vinci[2] el
primero que postuló un acercamiento a la fricción. Da Vinci dedujo la leyes que
gobiernan el movimiento de un bloque rectangular deslizándose sobre una superficie
plana, además de ser el primero en introducir el concepto de coeficiente de fricción.
Desafortunadamente sus escritos no fueron publicados hasta cientos de años después de
sus descubrimientos, lo que fue hasta el año 1699 que el físico francés Guillaume
Amontons[2] redescubrió las leyes de la fricción al estudiar el deslizamiento entre dos
superficies planas.
Con la tribología como ciencia se estudia la fricción y sus efectos asociados, como el
desgaste, tratando de prevenirlos con mejores diseños y prácticas de lubricación. Esta
rama de la ciencia toma en cuenta, entre otros aspectos de la maquinaria, los siguientes:
Su diseño
Los materiales de las superficies en contacto
El sistema de aplicación del lubricante
El medio circundante
Las condiciones de operación
La tribología se centra en el estudio de tres fenómenos:
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la fricción entre dos cuerpos en movimiento
el desgaste como efecto natural de este fenómeno
la lubricación como un medio para reducir el desgaste.
Así, un tribómetro es un instrumento que permite la medición de parámetros
tribológicos, tales como coeficiente de fricción, la fuerza de fricción, y el volumen de
desgaste (ver anexo de definiciones), entre dos superficies en contacto. Las pruebas
pueden llevarse a cabo en diversos entornos para simular escenarios de la vida real.
Además estos aparatos de ensayo pueden tomar numerosas apariencias, pero
generalmente adoptan la forma de una sonda cargada que incide la muestra que se
desplaza de forma circular o de vaivén. La fricción puede ser evaluada mediante la
medición de las fuerzas que actúan entre dos superficies que estarán en contacto
relativo, además del desgaste sufrido en dichas superficies debido a la prueba.
Fk
= μk
N (ecuación 1.1)[2]
Donde Fk es la fuerza de rozamiento (fricción) entre las superficies.
N la carga aplicada sobre la sonda.
μk
es el coeficiente de rozamiento cinético entre ambas superficies.
Tomemos como ejemplo un implante ortopédico, donde los fabricantes han invertido
considerables sumas de dinero para desarrollar tribómetros que reproducen con
precisión los movimientos y las fuerzas que se producen en humanos por ejemplo en las
articulaciones de la cadera, para obtener información que les permita realizar pruebas de
desgaste acelerado en sus productos. El primer tribómetro fue inventado en el siglo
XVIII por el científico holandés Musschenbroek.[9] ( Hutton, Charles).
El tipo o nombre del Tribómetro dependerá por la disposición de contacto específico
que simulan sus áreas de contacto relativo o por el promotor (creador) del equipo
original. A continuación se refieren algunas de las configuraciones[10]:
Cuatro bolas
Pin en disco
Bloque de anillo
4
Bouncing Ball
Schwingungs, Reibungs-und Verschleisstest (SRV) de prueba de la máquina
Twin Disc
Cilindro-cilindro
Figura 1.1 Tribómetro Cilindro-Cilindro
El tribómetro de cilindro-cilindro (ver figura 1.1) es una herramienta útil para medir el
coeficiente de fricción por deslizamiento de los cuerpos, aunque no es su única función.
También permite medir la eficiencia de lubricación de un líquido dependiendo de su
temperatura, en base del desgaste sufrido por los 2 cilindros en contacto. Lo anterior
proporciona un mayor entendimiento de cómo el desempeño y función de un sistema
está relacionado con dichos elementos, para así realizar mejoras del diseño.
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Figura 1.2 Tribómetro de cilindro-cilindro
El procedimiento para pruebas con el tribómetro de cilindro-cilindro (ver figura 1.2) del
laboratorio de investigación en Tribología (LIT) de la Facultad de Ingeniería Mecánica
y Eléctrica, región Xalapa de la Universidad Veracruzana es como sigue. Primero se
realizan primero seleccionando el tipo de material de las probetas así como su peso y
rugosidad iniciales para compararlo al final de la prueba y ver el desgaste obtenido, en
el caso de realizar pruebas con lubricante, se selecciona un líquido lubricante y se vierte
en la copa del tribómetro donde estarán las 2 probetas (figura 1.2). Este líquido deberá
cubrir el área donde las probetas estarán en contacto de tal forma que estén bien
lubricadas durante la prueba. Así, una de las probetas estará fija mientras la otra está
conectada al motor mediante una flecha. La cual estará girando, se requiere programar
el motor con las RPM (las revoluciones por minuto) a las cuales deberá operar. Por
último, se indica el tiempo que transcurrirá la prueba. Una vez que todo lo anterior está
listo se procede con el inicio de la prueba, una vez concluida la prueba solo se pesaran
las probetas y se analiza la diferencia entre su antes y después de la prueba.
Aunque el sistema descrito anteriormente es funcional, no cuenta con un sistema
calefactor para el calentamiento del aceite lubricante, un método para el conteo de
vueltas y todos los procesos actualmente son manuales.
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Realizar pruebas en los tribómetros permite a los alumnos comprender y por
consiguiente tomar elementos importantes en el diseño de futuros equipos mecánicos,
maximizando su desempeño y función, partes importantes para cualquier persona que
desee trabajar con mecanismos que tengan superficies en contacto relativo.
1.2 Planteamiento del problema
La ciencia y tecnología actuales requieren la generación y aplicación del conocimiento
en muchas áreas para mejorar su desempeño y mantener una innovación continua que
siempre es necesaria, por consecuencia el estudiante debe estar al tanto de esos
requerimientos y buscar la innovación en su profesión, sin embargo, debido a la
actualización poco frecuente del equipo y por las limitaciones propias de la carga
académica en los semestres, es difícil la actualización del estudiante en dichos
conocimientos, de temas básicos como es: la tribología.
El tribómetro de cilindro-cilindro con que cuenta el LIT de la Facultad de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica, está limitado debido a la falta de dispositivos que muestren
parámetros importantes para el desarrollo de experimentos. Lo anterior dificulta su uso
por parte de investigadores y estudiantes, que requieren que elementos tales como el
número de vueltas que de la probeta móvil y la temperatura sean fácilmente medibles.
Otra dificultad que presenta dicho tribómetro es la falta de un sistema para controlar el
motor del equipo. De contar con los elementos anteriores, sería posible obtener
mediciones más exactas y en tiempo real, facilitando el desarrollo de experimentos.
1.3 Hipótesis
Si se implementan instrumentos electrónicos en el tribómetro de cilindro-cilindro, y se
automatiza su uso en las pruebas del laboratorio del LIT entonces se optimizará el
desempeño de esté y se facilitará su uso para los usuarios. Permitiendo llegar a
resultados más exactos.
1.4 Objetivos de la propuesta de la automatización del sistema
1.4.1 Objetivo general:
Con el uso de la tarjeta NI USB 6008 de National Instruments[13] (la cual cuenta el
LIT), sensores electrónicos de temperatura, opto acopladores y programación en
Labview. Automatizar el tribómetro cilindro-cilindro, y de este modo generar una
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herramienta de uso práctico y fácil acceso para el laboratorio de tribología, permitiendo
que la realización de ensayos tribológicos en el tribómetro de cilindro-cilindro sean más
eficientes y confiables para todo usuario, así como poder medir parámetros útiles en el
desarrollo de las pruebas que se llevaban a cabo o que eran difíciles de obtener
manualmente además de controlar el equipo también. En la figura 1.3 se presenta el
esquema a bloques del control del tribómetro.
Figura 1.3 Esquema a bloques del control del tribómetro
1.4.2 Objetivos particulares:
Implementar sensores electrónicos que permitan una medición continúa de la
temperatura del aceite lubricante y de las vueltas de la probeta móvil del
tribómetro.
Facilitar la adquisición de datos de la prueba
Implementar una representación visual a través de una PC, de las variables que
intervienen en la prueba.
Controlar la temperatura y el inicio y paro del motor, así como sus RPM
mediante comandos desde la computadora.
1.5. Preguntas de Investigación
1.- ¿Qué variables se requiere monitorear y controlar en el tribómetro de cilindro-
cilindro?
8
2.- ¿Qué instrumentos electrónicos serian útiles para el monitoreo y control de las
variables involucradas en el funcionamiento del tribómetro de cilindro-cilindro?
3.- ¿Cómo controlar las variables previamente establecidas?
4.- ¿Qué tan accesibles son los elementos electrónicos que se usarán en el sistema a
controlar?
1.6. Justificación
Desde hace algunos años, en el LIT, se han realizado trabajos en favor del diseño y
construcción de prototipos de tribómetros que permitan el estudio acelerado de la
fricción, desgaste y lubricación de los materiales, para fortalecer la formación de los
ingenieros en la carrera de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Región Xalapa de la UV.
En este contexto, se ha identificado la necesidad de incorporar estudiantes de la carrera
de Instrumentación Electrónica con el propósito de colaborar en este tipo de trabajos en
lo que respecta a la instrumentación electrónica y el control de estos prototipos para su
óptimo desempeño.
1.6.1 Viabilidad
Para la realización de este trabajo de tesis, se consideraron las siguientes situaciones:
En el LIT, se presentó la oportunidad de rediseñar el tribómetro de cilindro-cilindro para
obtener una versión mejorada del mismo que fuera más eficiente. También se disponía
de una tarjeta de adquisición de datos la cual era factible usar para este propósito y su
software correspondiente además se realizó una investigación sobre la accesibilidad de
los instrumentos electrónicos que permitiera su automatización y control del tribómetro
de cilindro-cilindro.
1.6.2 Beneficios de la Investigación
Aplicación de la instrumentación electrónica y control en un tribómetro del LIT para el
desarrollo eficiente de ensayos tribológicos.
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CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE HARDWARE A UTILIZAR.
2.1 Terminales de entradas y salidas de la tarjeta NI USB 6008
La tarjeta NI USB 6008[13] (ver Figura 2.1) es una tarjeta que se utiliza para la
adquisición de datos por medio de sensores electrónicos externos los cuales se adaptan a
sus entradas, esta tarjeta funciona solo con el programa de LabView, el cual permite
programar las acciones que va a realizar, desde recibir información de los sensores hasta
mandar pulsos para controlar elementos externos previamente configurados a ella.
Figura 2.1 Tarjeta NI USB 6008
Para el desarrollo de este proyecto se requerían 3 salidas digitales, una salida analógica,
una entrada digital y una entrada analógica, además de la tierra que posee dicha tarjeta.
Se pueden encontrar una gran variedad de tarjetas, algunas con más prestaciones que
otras, en este caso el LIT contaba con esta tarjeta en específico para el proyecto.
10
2.1.1 Terminales de entrada y salida Analógicas
Figura 2.2 Terminales Analógicas de la tarjeta NI USB 6008
En la figura 2.2 se puede apreciar la distribución de entradas y salidas analógicas en la
tarjeta NI USB 6008. Como se ha menciona anteriormente, se utilizo la terminal 14 que
sirve para la generación de señales analógicas, permitiendo una variación en su voltaje
de +/-10V y sus cambios son controlados por el software en tiempo real, para el control
de la resistencia calefactora. La terminal 2 se utilizo para detectar el cambio de voltaje
en el sensor de temperatura, así como la terminal 1 de tierra para el circuito.
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2.1.2 Entradas Digitales
Figura 2.3 Terminales Digitales de la tarjeta NI USB 6008
En la figura 2.3 se pueden apreciar la distribución de las terminales digitales de la
tarjeta. La terminal 29 se puede configurar como un contador, de esta forma las caídas
de voltaje son contabilizadas por un contador de 32 bit. Esta entrada se uso para el
contador de vueltas, las entradas 17, 18 y 19 se usaron como salidas digitales para
generar un voltaje de activación para el variador Siemens. Todas las entradas y salidas
digitales cuentan con un rango de función1 de -0.5V a +5.8V con respecto a tierra.
Todas las demás entradas y salidas están explicadas en el manual de operación.
Su programa es una de las partes más importante de la tarjeta, provee un medio
amigable para el usuario para crear programas que permitan el uso de la tarjeta y los
elementos a conectar, con la tarjeta no solo se pueden obtener datos si no también
controlar elementos externos por medios de sus salidas, tanto digitales como analógicas,
ese tema se verá más extensamente y con mayor profundidad más adelante.
1 Generar o recibir un voltaje
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2.2 Parámetros a medir
Como se mencionó anteriormente, es necesario medir algunos parámetros importantes,
para una mejor comprensión de los resultados en las pruebas con el tribómetro de
cilindro-cilindro. Dichos parámetros son la temperatura del aceite lubricante y vueltas
de la probeta móvil. Para lograr lo anterior usaremos elementos electrónicos como: un
sensor de temperatura y un opto acoplador para llevar a cabo las mediciones.
2.2.1 Temperatura del aceite lubricante
Las propiedades de un aceite lubricante generalmente están relacionadas con la
temperatura a la que se encuentra, de tal manera que; a mayor temperatura, los aceites
lubricantes pierden viscosidad. Lo anterior puede aumentar el contacto entre las
superficies de la prueba y aumentar el desgaste y la pérdida de energía del sistema. Es
por esto que es necesario tomar en cuenta la temperatura. Para de esta forma verificar el
comportamiento que sufre el experimento con la variación de temperatura del aceite
lubricante. Para este proyecto se plantea una temperatura inicial de 25ºC y una
temperatura máxima de 100 ºC.
2.2.2 Vueltas de la Probeta móvil
En el tribómetro de cilindro-cilindro se cuenta con 2 probetas cilíndricas que están en
contacto frontal. Mientras una permanece estática, la otra se hace girar por medio de un
motor. Teniendo un conteo preciso de las vueltas que da dicha probeta y el desgaste
sufrido entre ellas, podemos evaluar el desempeño del aceite lubricante (Ver figura
2.4).
Figura 2.4 Probetas y copa del tribómetro
13
2.3 sensores y elementos electrónicos
Los sensores y elementos electrónicos por usar en el proyecto son los que se mencionan
a continuación.
2.3.1 Sensor de temperatura
Para sensar la temperatura del experimento, se propone usar el sensor de temperatura
LM235z[18] (ver Figura 2.5) es un sensor de precisión de temperatura, el cual puede ser
fácilmente calibrado. Este sensor tiene un rango de -40ºC a 125ºC y su funcionamiento
es muy simple, calibrado a 25º con un 1ºC de diferencia de precisión. A diferencia de
otros sensores de temperatura tiene una salida lineal. Se eligió por las necesidades del
proyecto en el cual la temperatura máxima del experimento tiene un límite de 100ºC.
Figura 2.5 Encapsulado sensor LM235z
Por medio de este sensor conectado a la tarjeta USB 6008 en sus Terminal 2 y 1
tendremos mediciones en tiempo real de la temperatura del aceite lubricante durante el
transcurso de la prueba. De esta forma, mediante la tarjeta generar una gráfica que
permitirá al usuario apreciar el comportamiento de temperatura en el experimento.
Además, permitirá regular la temperatura deseada si es que el proyecto requiere que se
mantenga una temperatura dada durante el transcurso del experimento Lo anterior
gracias al trabajo en conjunto con la resistencia calefactora que también será controlada
por la tarjeta USB 6008 y el programa de Labview. Su diagrama del circuito se muestra
en la figura 2.6
14
Figura 2.6 Circuito sensor temperatura
2.3.2 Contador de vueltas
Para contar las vueltas el opto acoplador es un elemento electrónico en el cual se
utilizan 2 componentes electrónicos, uno es el led infrarrojo en este caso es el
IR333C[19], también un fototransistor el cual es PT1302B[20].
El led infrarrojo IR333C es un Diodo de alta intensidad, está diseñado para funcionar a
la par con fototransistores, su alimentación es igual a la de un led cualquiera.
El fototransistor PT1302B es un NPN de alta velocidad y sensibilidad, diseñado para
funcionar con leds infrarrojos.
El IR333C genera una luz infrarroja imperceptible para el ojo humano pero para el
fototransistor no, el cual mientras se mantenga esa luz constante seguirá conduciendo un
voltaje, cuando un objeto cruza y corta el haz de luz cambia su estado de conducción,
usando ese principio y por medio de una espiga anexada al eje (Ver Figura 2.8) donde
estará la probeta giratoria podremos saber cuándo el eje ha dado una vuelta y la tarjeta
contara ese cambio como una vuelta. Su diagrama se puede apreciar en la Figura 2.7.
15
Figura 2.7 Diagrama Opto acoplador
Figura 2.8 Espiga anexada al eje
2.3.3 Control de temperatura
Una resistencia calefactora de 500W es la que se encargara de permitir iniciar el
experimento a una temperatura deseada, dando lugar a simular diferentes situaciones,
por ejemplo probar como funciona un lubricante en lugares muy calurosos o como se
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desempeña después de estar a altas temperaturas, dicha resistencia calefactora también
permite mantener una temperatura relativamente estable por medio de su aplicación en
determinados lapsos de tiempo.
En esta parte del proyecto se requirió buscar la forma de controlar el rango de la
corriente alterna (CA) del toma corrientes (el cual generalmente es de 125V) por medio
de un voltaje analógico que da la tarjeta de Labview (5V), la tarjeta no puede controlar
ese voltaje y podría sufrir un accidente por el exceso de corriente y voltaje si llegaba a
ser conectada directamente, por medio de un optoaislador se pudo proteger la tarjeta
USB 6008. Se logró controlar un triac y usando la onda sinusoidal de la corriente
alterna, que se tiene en él toma corrientes se controla el encendido de la resistencia
calefactora.
Se utilizó un optoaislador 4N26[21] (figura 2.9), que consiste en un diodo emisor
infrarrojo acoplado a un fototransistor detector en un encapsulado de plástico, ideal para
aislar elementos de diferentes voltajes funcionando como un interruptor electrónico, por
ser óptico, no hay contacto físico entre los elementos a controlar, aunque exista algún
problema en su funcionamiento en cualquier parte del opto acoplador, evitando daños a
dichos elementos a controlar por algún cortocircuito.
Figura 2.9 Optoaislador 4N26
En este caso el optoaislador 4N26 se utilizó para detectar el pulso de onda de la CA del
tomacorriente, primero se usó un transformador para disminuir su voltaje y volver su
onda, a una onda positiva como se ve en la figura 2.10.
17
Figura 2.10 Onda CA
En la figura 2.11 se puede apreciar la forma de onda de voltaje de CA del tomacorriente
antes y después de pasar por el transformador, el excesivo voltaje no permitía que se
pudiera conectar directamente a la tarjeta ni al optoaislador, una vez reducido el voltaje
se pudo obtener una señal de pulsos, la cual nos ayudaría a controlar la carga y descarga
de un capacitor.
Figura 2.11 Pulso de salida del optoaislador
Mediante el pulso que tendremos en la salida del optoaislador que se muestra en la
figura 2.12 ese pulso se pasara por un rectificador para evitar ruido y que la señal sea
más nítida y usando un transistor controlaremos la carga y descarga de un capacitor,
haciendo que se genere una onda de diente de sierra, la onda de diente de sierra nos
18
permitirá por medio de un comparador de voltaje controlar el encendido de la
resistencia calefactora.
Figura 2.12 Salida de capacitor, onda diente de sierra
Ahora usaremos un comparador[8], los comparadores son circuitos no lineales que,
como su nombre indica, sirven para comparar dos señales (una de las cuales
generalmente es una tensión de referencia) y determinar cuál de ellas es mayor o menor.
La tensión de salida del comparador tiene dos estados (binaria) y se comporta como un
convertidor analógico-digital de 1 bit, lo cual nos servirá como un interruptor para la
resistencia calefactora.
En el comparador de voltaje (Ver figura 2.15), una de sus entradas será la señal de
diente de sierra y en otro tendremos el voltaje controlado por la tarjeta de Labview, así
cuando el voltaje en la entrada positiva que será la señal diente de sierra comparada con
la señal de la tarjeta si la primera es menor dará “0” y cuando sea mayor nos dará un 1.
Su salida ira a un opto triac y con el podremos controlar el encendido de la resistencia
calefactora.
El MOC3012[22] (figura 2.13) es un optoaislador que controla a un triac por medio de
un led infrarrojo, todo en un encapsulado, su voltaje de alimentación del led es de 3V y
el voltaje que resiste el triac es de 250V AC lo cual es ideal para poder controlar altos
voltajes por medio de un voltaje menor sin poner en riesgo el equipo.
19
Figura 2.13 Esquema de un triac opto aislado MOC3012
Figura 2.14 Corte de onda Sinusoidal
Con este arreglo podremos controlar cuando activar la resistencia calefactora por medio
de la onda sinusoidal del tomacorriente, Como se muestra en la figura 2.14, esto permite
saber en qué lapso de la onda sinusoidal está saliendo del tomacorrientes. Permitiendo
así regular cuando encenderlo y cuando apagarlo, admitiendo cambiar su voltaje y
cambiando su nivel de “calor” el cual será monitoreado por el sensor de temperatura.
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Figura 2.15 Diagrama de Resistencia Calefactora
2.3.4 Variador Siemens
El variador siemens[23] con el que cuenta el tribómetro cilindro-cilindro del LIT (figura
2.16) permite el control del motor trifásico, controlando sus revoluciones por minuto
(RPM) con el cual por medio de un arreglo de engranes permitirá que la probeta gire
generando la fricción entre las probetas.
Figura 2.16 variador siemens
Este variador dispone de 3 entradas digitales y una entrada analógica (convertible en
digital) que vienen configuradas de la siguiente forma:
Entrada 1: ON/OFF (Arrancar o parar el motor).
Entrada 2: Inversión del sentido de giro.
Entrada 3: Acuse de fallo.
Entrada analógica: Consigna de frecuencia (mediante una señal externa o un
potenciómetro).
21
Las características de protección que incorpora:
Protección de sobretensión/mínima tensión.
Protección de sobre temperatura para el convertidor.
Protección de defecto a tierra.
Protección de cortocircuito.
Protección térmica del motor por i2t.
Protección del motor mediante sondas PTC.
Para configurar el variador siemens existen varias opciones. Se puede acceder desde una
PC por el puerto serie con un kit de conexión y hacer la configuración mediante un
software (el DriveMonitor o el Starter). También existen unos paneles que se conectan
sobre el variador.
En este trabajo se programaron sus entradas para controlar las revoluciones por minuto
(RPM) y el encendido del motor, usando la tarjeta NI USB 6008 y un circuito para
protegerla del voltaje del variador (24V), se usaron Relevadores para evitar que el
voltaje superior llegue a la tarjeta de Labview.
Figura 2.17 Entradas digitales del Variador Siemens
Como se puede apreciar en la figura 2.17 la terminal 8 genera un voltaje de 24V el cual
aprovecharemos para activar las funciones que estableceremos en cada entrada
(terminales 5, 6 y 7) la entrada 5 la dejaremos configurada como I/O, con ella
encenderemos el motor o lo apagaremos, las entradas 6 y la 7 se programaran distinto a
como están originalmente programadas, estas se emplearan para incrementar las
revoluciones por minuto del motor (RPM) en una cantidad previamente establecida de
.10 por cada vez que se presione el botón.
Los Relevadores tendrán la función de un interruptor, la tarjeta los controlara y así se
podrá evitar que el voltaje de 24V llegue a la tarjeta que maneja un máximo de 5V.
22
CAPÍTULO 3. PROGRAMA EN LABVIEW
3.1 introducción al programa
Labview es un programa con el cual se puede controlar la tarjeta NI USB 6008, es un
programa fácil y sencillo de usar para programar, puede ser utilizado por personas con
pocos conocimientos o por expertos, es indispensable para el uso de la tarjeta, pero su
uso no se limita solo al control de dicha tarjeta, puede ser utilizado para crear programas
sin tener la necesidad de hacer uso de la tarjeta, la tarjeta solo es el medio de enlace
entre la computadora y los elementos que se desean controlar o medir, también permite
al usuario diseñar funciones que servirán para trabajos de más envergadura.
En este proyecto el programa se utiliza en ambas formas: para controlar la tarjeta USB
6008, y para crear el programa con el cual se tendrán funciones específicas que servirán
para generar un reporte de la prueba más detallado y comprensible para el usuario.
3.1.1 Lectura de temperatura
Por medio del software se realizó un control para el sensor de temperatura, en el cual se
puede apreciar una gráfica, así como el cambio constante de la temperatura en el aceite
lubricante durante la prueba en el tribómetro. Ver la figura 3.1.
Figura 3.1 Interfaz visual de temperatura
Por medio del controlador DAQ Assistant, elemento encargado de detectar las señales
que recibe la tarjeta NI USB 6008 (Ver figura 3.2), voltajes analógicos de 0 a 5 volts o
pulsos digitales, permitiendo que se utilice esa señal para indicar algo en el programa,
23
en este caso la tarjeta nos mandara los cambios ocurridos en el sensor, el cual nos dará
una variación de voltaje que indicara la temperatura del aceite lubricante.
Figura 3.2 Diagrama de bloques del panel de temperatura
La salida del DAQ Assistant se conectó a un elemento indicador (numérico, un
termómetro visual y una gráfica con respecto al tiempo) y así poder apreciar como varía
la temperatura actual en el experimento.
3.1.2 Contador de vueltas
Además se puede llevar un conteo de las vueltas de la probeta móvil por medio de una
espiga que cortara el haz de luz infrarroja, cada corte el programa lo tomara como una
vuelta de la probeta. Ver Figura 3.3.
Figura 3.3 Interfaz visual para el usuario de las vueltas
Usando de nuevo el DAQ Assistant (Figura3.4) la tarjeta recibirá los cortes que se
realicen en el voltaje como se explicó anteriormente en el circuito del contador de
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vueltas y por medio de un arreglo en el programa poder ver un conteo de esos cortes.
Este conteo es ajeno a las RPM del motor.
Figura 3.4 Diagrama de bloques del Contador de vueltas
3.1.3 Control de la resistencia calefactora
También cuenta con el control de una resistencia calefactora con el cual se puede
cambiar la temperatura del líquido para iniciar una prueba en diferentes condiciones,
mediante el trabajo en conjunto del sensor de temperatura y esta resistencia se podrá
obtener una temperatura deseada lo más estable posible para el experimento. Ver Figura
3.5.
Figura 3.5 Interfaz de control para el usuario de la resistencia calefactora
En esta ocasión, el DAQ Assistant(ver figura 3.6) no se usara para recibir señales si no
para enviarlas por medio de la tarjeta, en este caso será un voltaje analógico de 0 a 5
Volts para el circuito controlador de la resistencia calefactora que aumentara o
disminuirá la alimentación de la resistencia calefactora.
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Figura 3.6 Diagrama de bloques del control de la resistencia calefactora
3.1.4 Control del variador de frecuencia siemens
Se creó un acondicionador de señal para el variador siemens, el cual permite controlar
desde la computadora el motor permitiendo así un mayor control en el tribómetro (Ver
figura 3.7), por medio de pulsos emitidos de las entradas y salidas digitales de la tarjeta
de Labview y los relevadores previamente mencionados, un pulso mantendrá el motor
girando y los otros 2 aumentaran y disminuirán las RPM del motor.
Figura 3.7 Interfaz de control para el usuario del variador siemens
De nuevo el DAQ Assistant (figura 3.8) se usara para mandar pulsos, en esta ocasión
pulsos digitales de 5 Volts para indicarle al variador qué función debe realizar.
Figura 3.8 Diagrama de bloques del Control del Variador Siemens
26
3.1.5 Funciones para el manejo de tiempo y terminación del programa
Aparte de realizar las funciones previamente mencionadas el programa cuenta con un
apagado manual y otro con respecto al tiempo transcurrido de la prueba (Ver figura
3.10), permitiendo al usuario marcar en que tiempo se detendrá la prueba o si en caso de
emergencia detenerla en cualquier momento. Estos controles se pueden apreciar en la
Figura 3.9.
Figura 3.9 Interfaz de control para la duración de la prueba y botón de paro de
emergencia.
El usuario solo debe de escribir el tiempo que desea en el recuadro que dice Tiempo
Deseado de la Prueba, y el otro cuadro muestra el tiempo que lleva la prueba, para
detenerlo en cualquier momento solo debe de presionar el botón que dice DETENER y
el programa detendrá todo.
Figura 3.10 Diagrama de bloques del Control de duración de la prueba
También podrá grabar si el usuario lo desea los datos obtenidos en dicha prueba
(temperatura, vueltas, tiempo de la prueba) creando un reporte sencillo para el usuario
que le permita comparar estos resultados con otras pruebas realizadas con distintos
materiales.
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3.1.6 Programa lector de reportes
Se creó además un programa para la lectura de los reportes generados por el programa
principal (Ver la figura 3.11), permitiendo al usuario comparar resultados entre
diferentes pruebas (2 a la vez) el programa cuenta con una gráfica la cual muestra el
cambio de la temperatura a lo largo de la prueba, también muestra los valores del
contador de vueltas en cada intervalo de lectura. El programa funciona (Ver Figura
3.12) aparte del programa principal para permitir al usuario consultar los resultados de
pruebas, permitiendo un programa sencillo pero útil, el programa puede mostrar hasta
10 valores de cada prueba, suficientes para dar una clara idea del comportamiento de los
elementos durante la prueba.
Figura 3.11 programa lector de reportes
De acuerdo con la teoría de diseño de experimentos, se recomienda que por lo menos se
consideren 3 réplicas por cada experimento para garantizar la repetitividad.
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Figura 3.12 Diagrama de bloques del Lector de reportes
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CAPÍTULO 4. AUTOMATIZACIÓN DEL TRIBÓMETRO
4.1 Características previas del tribómetro de cilindro-cilindro
El tribómetro de cilindro-cilindro como ya se había mencionado previamente su diseño
primario solo permitía medir el desgaste así como la fuerza ejercida por el giro de la
probeta sobre la otra debido a la fricción.
4.2 Descripción de una prueba previa a la instrumentación electrónica del
tribómetro
Un experimento usual en este tribómetro es de 15 a 45 minutos continuos, donde el
operador debía esperar hasta terminada la prueba para realizar alguna medición, En caso
de querer realizar mediciones durante el proceso era muy difícil y en parte peligrosa
para el operador (ejemplo medir temperatura del líquido lubricante).
4.3 Descripción de una prueba por medio de la instrumentación electrónica
del tribómetro
Debido a la instrumentación electrónica el tribómetro cuenta con nuevas características
de medición, sus nuevas variables son la medición de la temperatura así como el
control de dicha temperatura para que sea relativamente estable (en lo posible, al no
contar con un sistema de refrigeración no se puede iniciar pruebas con temperaturas
inferiores a la temperatura ambiente) en el líquido, el conteo de vueltas de la probeta y
también el control del variador de frecuencia siemens.
4.4 Pasos para realizar una prueba
Paso número uno: para realizar una prueba, el usuario deberá seleccionar las probetas
adecuadas e instalarlas en el tribómetro. Posteriormente el líquido lubricante a usar, Una
vez instalados todos esos elementos en su lugar correspondiente en el tribómetro se
podrá llevar a cabo la prueba.
Paso número dos: el usuario deberá de conectar todos los sensores a la tarjeta NI USB
6008 o revisar que estén conectados y deberá iniciar el programa de control con
Labview (Ver figura 4.1).
Paso número tres: una vez teniendo todo en su lugar se establece el tiempo (en minutos)
que durará la prueba. También se seleccionara la temperatura deseada (si es que se
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desea alguna superior a la temperatura ambiente desde un principio). Una vez teniendo
dicha temperatura, se procederá a activar el variador y a controlar su frecuencia.
Subiéndola o disminuyéndola, si se mantienen presionado el botón la frecuencia subirá
rápidamente, si se presiona rápido el botón (2 veces en 1 segundo) esta subirá solo 0.10
Opcionalmente, si se desea una temperatura inicial superior a la del ambiente, la
resistencia calefactora se encenderá antes de iniciar la prueba, haciendo que el líquido
llegue hasta la temperatura deseada antes de iniciar la prueba.
Paso número cuatro: El usuario puede elegir el tiempo de la prueba escribiendo en el
recuadro de Tiempo Deseado de la Prueba. Cuando el programa llegue al tiempo
establecido de duración para la prueba, se detendrá, también el variador y apagara la
resistencia calefactora.
Paso número cinco: Durante la prueba, el usuario puede obtener muestras de los valores
de los parámetros de interés en la prueba. Para lo anterior, solo debe escribir la cantidad
de muestras que desea. Estas muestras se tomaran acorde a una proporción de tiempo de
la prueba y la cantidad que se desea. Por ejemplo, si el usuario realiza una prueba de 30
minutos de duración y desea 10 muestras, el programa obtendrá todos los datos que se
generaron cada 3 minutos. Si el usuario en lugar de 10 muestras desea solo 3, cada 10
minutos se almacenarán los valores obtenidos. Las muestras se almacenarán en un
archivo que puede ser visto en cualquier programa de edición de textos, tal como Excel
o en un block de notas.
El formato del archivo generado tendrá 2 columnas, las cuales representan los valores
obtenidos a lo largo de la prueba. El primer valor corresponde a la temperatura del
líquido. Mientras que el segundo es la cantidad de vueltas que lleva en ese momento.
Así como la fecha de realización de la prueba.
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Figura 4.1 Orden de los pasos a seguir para realizar una prueba en el tribómetro
4.5 Resultados
Se realizaron pruebas para comprobar que el equipo funcionara correctamente, lo
primero en ser probado y calibrado fue el sensor de temperatura (LM235z)
comparándolo con otro termómetro de contacto y una base calefactora calibrada a una
temperatura constante. En esta prueba se pudo apreciar con el termómetro de contacto la
temperatura de 46º Celsius (ver Figura 4.2)
Figura 4.2 Termómetro de contacto
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Después con esos valores como base se probó con el termómetro del programa
dándonos una temperatura muy cercana (ver Figura 4.3)
Figura 4.3 Resultados de temperatura
Se puede apreciar el cambio que sufrió la temperatura durante el tiempo que el sensor
estuvo tocando la superficie de la base calefactora, se obtuvo una diferencia alrededor
de 2º C del termómetro de contacto, lo cual se puede considerar aceptable.
Para la resistencia calefactora se optó primero por probar el circuito en un foco, el cual
actuaria de la misma forma que la resistencia para su mejor apreciación, se comprobó
que el foco prendía siempre que la temperatura fuera inferior a la requerida y mientras
más cercana fuera a la temperatura deseada este disminuía su luz, hasta llegar a la
temperatura de la prueba donde este se apagaba.
Al final se llevó a cabo una prueba, con todos los elementos, la primera prueba dio un
resultado no deseado; el motor y la resistencia seguían funcionando a pesar de que el
programa se había detenido. Lo anterior se dio por que el programa no mando una señal
para detener esas funciones. Para solucionar se implementó esa función en el programa
permitiendo así que todos los elementos del proyecto se detuvieran y logrando así un
control total del proyecto.
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CONCLUSIONES.
Se obtuvo nuevo conocimiento personal al realizar una investigación documental al
respecto de tribometría, tarjeta Labview NI USB 6008 y su software, además de los
elementos electrónicos que se utilizarían para el proyecto. También idealizar el diseño
del proyecto, ubicar los sensores en el lugar más adecuado para realizar mediciones y
que no afectaran el desempeño del tribómetro de cilindro-cilindro.
A través del desarrollo de este proyecto, se aporta una herramienta para la generación de
reportes de las variables del experimento, lo cual permitirá la comparación de resultados
entre diversas pruebas para llevar un mejor control de los mismos.
Como trabajo futuro el tribómetro de cilindro-cilindro podría ser modificado para
implementar más funciones y así hacerlo un equipo aún más eficiente, una posible
mejora podría ser la implementación de un elemento refrigerante para tener un mayor
control en el líquido lubricante.
También el cambio del Variador Siemens por otro elemento controlador del motor para
un control más sencillo.
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ANEXO
Términos
A continuación se mencionaran algunos términos comunes en la tribología.
Fricción
La fricción se define como la resistencia al movimiento durante el deslizamiento o
rodamiento que experimenta un cuerpo sólido al moverse sobre otro con el cual está en
contacto. Esta resistencia al movimiento depende de las características de las
superficies. Una teoría explica la resistencia por la interacción entre puntos de contacto
y la penetración de las asperezas.
La fuerza de resistencia que actúa en una dirección opuesta a la dirección del
movimiento se conoce como fuerza de fricción. La fricción no es una propiedad del
material, es una respuesta integral del sistema.
Desgaste
El desgaste es el daño de la superficie por remoción de material de una o ambas
superficies sólidas en movimiento relativo. Es un proceso en el cual las capas
superficiales de un sólido se rompen o se desprenden de la superficie. Al igual que la
fricción, el desgaste no es solamente una propiedad del material, es una respuesta
integral del sistema. Los análisis de los sistemas han demostrado que 75% de las fallas
mecánicas se deben al desgaste de las superficies en rozamiento. Se deduce fácilmente
que para aumentar la vida útil de un equipo se debe disminuir el desgaste al mínimo
posible.
Lubricación
El deslizamiento entre superficies sólidas se caracteriza generalmente por un alto
coeficiente de fricción y un gran desgaste debido a las propiedades específicas de las
superficies. La lubricación consiste en la introducción de una capa intermedia de un
material ajeno entre las superficies en movimiento. Estos materiales intermedios se
denominan lubricantes y su función es disminuir la fricción y el desgaste. El término
lubricante es muy general, y puede estar en cualquier estado material: líquido, sólido,
gaseoso e incluso semisólido o pastoso.
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BIBLIOGRAFÍA
1.- Martínez Pérez, Francisco. “La Tribología” Ciencia y Técnica para el
Mantenimiento.2ª.Edición México D.F. Editorial Limusa, 2002
2.- Díaz del Castillo Rodríguez Felipe. Lecturas de ingeniería 2: Tribología: Fricción,
Desgaste y Lubricación. Cuautitlán Izcalli, 2007
3.- Pale Bacilio Eduardo. “Evaluación tribológica de aceites lubricantes para motores de
combustión interna”. Trabajo práctico técnico, FIME XALAPA, 2011
4.- Diego Rodríguez Luis Francisco. “Rediseño y construcción de un tribómetro pin disco”.
Trabajo práctico técnico, FIME XALAPA, 2010
5.- Pineda Gómez, Héctor. Lubricantes y lubricación en Ingeniería (tesis). 1993. Veracruz
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Universidad Veracruzana, 1993.
6.- Gomáriz Castro, Biel Solé, Matas Alcalá, Reyes Moreno. Teoría de control (diseño
Electrónico)
7.- Maloney, Timothy J. Electrónica Industrial Moderna. 5a. Ed. México: Pearson Educación,
2006.
8.- Coughlin R. F; Driscoll, F.F. Amplificadores operacionales y circuitos integrados
lineales. 5ª. Ed. México: Pearson Educación, 1999.
9.- Hemming Andersen. Historic scientific instruments in Denmark. Volumen 42 Kgl. Danske
videnskabernes Selskab, 1995.
10. - Höglund, Erik (March 1989). "The Relationship Between Lubricant Shear Strength
and Chemical Composition of the Base Oil". Netherlands: Elsevier, Volumen 130, 1, Marzo
1989
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<http://mexico.ni.com/> [Consulta: 4 septiembre 2012]
12.-Israel Carrión, Labview nivel I Diapositiva, Página slideshare.
<http://www.slideshare.net/idcarrion/lab-view-nivel-i-semana-1> [Consulta: 30 de julio del
2012]
13. - USER GUIDE AND SPECIFICATIONS NI USB-6008/6009.
<http://www.ni.com/pdf/manuals/371303m.pdf > [Consulta: 7 Agosto 2012]
14.-Guía breve para el uso de la tarjeta NI USB 6008 (A quick guide to National Instruments
USB-6009 and USB-6008 multifunction I/O devices), Página TechTeach, Fecha de
actualización: 17 de abril del 2008 <http://techteach.no/tekdok/usb6009/index.htm> [Consulta:
16 Agosto 2012]
36
15.-Uso de sensores infrarrojos, Página tdrobotica.co, fecha de creación: 01 de mayo del 2009.
< http://tdrobotica.co/proyectos/electronica/50> [Consulta: 22 Octubre 2012]
16.-Buenas prácticas en el diseño del PBC’s, página INYDEL.
<http://www.inydel.es/Un_correcto_rutado.html> [Consulta: 15 Marzo del 2013]
17.-Parametrización sencilla de un variador de frecuencia Micromaster 420, Notas de
automatización, Fecha de creación: 17 de septiembre del 2009.
<http://notasdeautomatizacion.blogspot.mx/2009/09/parametrizacion-sencilla-de-un-
variador.html> [Consulta: 13 Noviembre 2012]
18.- LM235z <http://www.alldatasheet.es/datasheet-
pdf/pdf/22759/STMICROELECTRONICS/LM235Z.html>
19.- IR333C <http://www.alldatasheet.es/datasheet-df/pdf/202420/EVERLIGHT/IR333C.html>
20.- PT1302B-C2 < http://www.datasheetarchive.com/PT1302B-C2-datasheet.html >
21.- 4N26 < http://www.alldatasheet.es/datasheet-pdf/pdf/2847/MOTOROLA/4N26.html >
22.- MOC3012 < http://www.alldatasheet.com/datasheet-
pdf/pdf/5039/MOTOROLA/MOC3012.html >
23.- Variador de frecuencia Micromaster 420
<http://cache.automation.siemens.com/dnl/TU/TUxNDcxAAAA_6515704_HB/opspa.PDF >
