Celda de Carga PDF

 

12-11-2017  

INSTRUMENTACIÓN MECATRÓNICA INFORME DE LABORATORIO N°2 

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS F UERZAS ARMADAS ESPE CARRERA

:

MECATRÓNICA

TEMA

: 

SELECCIÓN Y ACONDICIONAMIENTO ACONDICIONAMIENTO DE

UNA CELDA DE CARGA

INTEGRANTES :

ALDÁS ROBERTO CHANCÚSIG ALEX  TIPÁN DIEGO

DOCENTE

:

ING. PATRICIA CONSTANTE

NIVEL

: 

SÉPTIMO

 

Contenido 1.

Tema...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... 4

2.

Objetivos ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... 4

3.

Marco Teórico ............................................................... ....................................................................................................................... ........................................................ 4

4.

Equipos y Materiales ................................................................. ........................................................................................................... .......................................... 12

7.

Resultados ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... 14

8.

Conclusiones.................................................................................................... Conclusiones........................................................................................................................ .................... 16

10.

Bibliografía ................................................................. ...................................................................................................................... ..................................................... 17

 

Índice de Figuras

Figura 1. Celda de carga c arga en balanza para camiones. (Fuente: Revuelta. (2017). Básculas Electrónicas. [Figura]. Recuperado de: http://www.revuelta.com.mx/basculas-y-soluciones-d http://www.revuelta.com.mx/basculas-y-soluciones-dee................................................................... ........... 5  pesaje/centro-de-informacion/basculas-electronicas)) ........................................................  pesaje/centro-de-informacion/basculas-electronicas Figura 1. Celda de carga c arga para grúas. (Fuente: A&L Integral Trade. (2017). Balanza para grúas  ..................................... 6 móviles. de:dehttp://ayl.com.ar/gruasmoviles.html) Figura 1. [Figura]. Prueba deRecuperado deformación estructuras. (Fuente: Jensen, T. (2017). Strain gauge measuring and analysis of structures. [Figura]. Recuperado de: https://forcetechnology.com/en/energy-industry/nuclear-power/strain-gauge-measurement-andanalysis)........................................................... .............................................................................................................................. .............................................................................. ........... 6 Figura 1. Montaje de una balanza mediante el empleo de una celda de carga. (Fuente: Naylamp. (2016). Tutorial trasmisor de celda de carga c arga HX711, Balanza Digital. [Figura]. Recuperado de: http://www.naylampmechatronics.com/blog/25_tutorial-trasmisor-de-celda-de-carga-hx711.............................................................................................................................. .............................................................................. ........... 7  ba.html) ........................................................... Figura 2. Ubicación de galgas en una celda de carga. (Fuente: Sánchez, L. (2014). Instrumentación y mediciones. [Figura]. Recuperado de: http://autkomatas.blogspot.com/2015/03/instrumentation-mediciones.html) ............................... 8 Figura 3. Descripción del equipo eléctrico y electrónico. (Fuente: Otero, P. (2007). Diseño y construcción de una balanza electrónica con una interfaz gráfica para visualización. [Figura])  .. 9 Figura 4. Amplificador de instrumentación en base a tres amplificadores operacionales. (Fuente: Otero, P. (2007). Diseño y construcción de una balanza electrónica con una interfaz gráfica para ............................................................................................................... 10 visualización. [Figura]) ............................................................................................................... Figura 5. Esquema simplificado del AD620. (Fuente: Siemens. (2015). Células de carga. ...................................................................................................................................... 11 [Figura]) ...................................................................................................................................... Figura 6. Pines del AD620. (Fuente: Siemens. (2015). Células de carga. [Figura]) ................... 11 Figura 6. Error obtenido entre las mediciones. (Fuente: Autores) .............................................. 16

 

1.  Tema Selección y acondicionamiento de una celda de carga

2.  Objetivos 2.1.Objetivo General   Acondicionar una celda de carga de 5Kg mediante el empleo de un amplificador



de instrumentación AD620 para realizar mediciones de peso en función del voltaje en una escala de 0 a 5V.

2.2.Objetivos Específicos   Identificar los tipos y las características de las celdas de carga disponibles en el



mercado.   Determinar los elementos para realizar un acondicionamiento de una celda de



carga de 5 Kg mediante el empleo de ecuaciones para el cálculo de ganancias de un circuito amplificador AD620 y LM741.  



3.  Marco Teórico 3.1.Celda de carga Una célula de carga es n transductor diseñado específicamente específicamente para la m medida edida de fuerzas. Conciste en un soporte elástico con galgas extensométricas (generalmente cuatros sobre un puente de Wheatstone) montadas adecuadame adecuadamente. nte. Las especificaciones más importantes de una célula de carga es la salida diferencial del  puente que produce la carga de fondo de escala por cada voltio de la fuente de alimentación. Utilizando el dato output.(Miguel & Bolado, 2015, p. 362) Para calcular la sensibilidad y la tensión de salida (V out) de las células de carga como:      =

  ó  

( |) 

   =      (( |) )   

(1)

(2)

 

Las células de carga se usan lasa estimular la carga sobre los parámetros de cavidades subterráneas. Se colocan con las bases paralelas a la superficie donde se va a medir la carga; consiste en uno o varios cilindros sometidos a la carga que va a medirse. Las tensiones en los cilindros se determinan mediante resistencias extensométricas o cuerda vibrante y transductor inductivo. Existen varias versiones de celdas de carga:   De lectura mecánica



  De lectura óptica



  Fotoeléctricas



  Hidráulicas



  Eléctricas



Los dos últimos tipos permiten realizar las lecturas a ciertas distancias del punto de colocación de la célula; sin embargo, los dos primeros tipos ti pos son más baratos y resistentes,  por lo que se utilizan en el empernado donde es más importante utilizar más células, aunque sean de menor precisión. Las células de carga fotoeléctricas se utilizan para medir cargas en pernos. Consisten en un conjunto de discos de vidrio, que, al deformarse debido a la carga aplicada, se somete a luz polarizada, observándose distintas franjas de colores que indican la magnitud de la carga que actúa sobre el perno.( Introducción  Introducción a los usos industriales industriales y urbanos del espacio espacio  subterráneo y su tecnología, 1986, p. 220).

Sin embargo, existen muchos más usos de las celdas de carga como, por ejemplo: 1)  Las celdas también se usan en básculas electrónicas para pesar camiones en las carreteras para verificar el peso de los mismos o si han excedido el límite de carga.

Figura 1. Celda de carga en balanza para camiones. (Fuente: Revuelta. (2017). Básculas Electrónicas. [Figura].  Recuperado  Recuperad o de: http://ww http://www.revuelta.c w.revuelta.com.mx/bas om.mx/basculas-y-solu culas-y-soluciones-de ciones-de-pesaje/ce -pesaje/centro-de-info ntro-de-informacion rmacion/basculas/basculas-

 

electronicas)

 

2)  En una grúa se utiliza una celda de carga para verificar el peso que está levantando la misma y no exceder su límite para evitar un accidente.

Figura 2. Celda de carga para grúas. (Fuente: A&L Integral Trade. (2017). Balanza para grúas móviles. [Figura].  Recuperado  Recuperad o de: http://ayl http://ayl.com.ar/gru .com.ar/gruasmoviles. asmoviles.html) html) 

3)  En la industria de la construcción se utiliza la celda para medir deformaciones en las vigas que sostienen los edificios o en los pisos de los mismos o deformación en su estructura

Figura 3. Prueba de deformación de estructuras. (Fuente: Jensen, T. (2017). Strain gauge measuring and analysis of  structures. [Figura]. [Figura]. Recu Recuperado perado d de: e: https://force https://forcetechnology technology.com/en/e .com/en/energy-indus nergy-industry/nuclea try/nuclear-power/str r-power/strain-gaugeain-gaugemeasurement-and-analysis)  

3.2.Especificacioness técnicas de llaa celda de carga 3.2.Especificacione Las celdas de carga más empleadas son las single point o punto único, en la cual la presión se ejerce sobre un punto específico de su estructura, característica que debe considerarse  para la fijación de la celda en la carcasa de la balanza y para la colocación colocación de la bandeja de pesaje, como se muestra en la siguiente figura.

 

 

Figura 4. Montaje de una balanza mediante el empleo de una celda de carga. (Fuente: Naylamp. (2016). Tutorial trasmisor de celda de carga HX711, Balanza Digital. [Figura]. Recuperado de: http://www.naylampmechatronics.com/blog/25_tutorial-trasmisor-de-celda-de-carga-hx711-ba.html)

 

De acuerdo a las especificaciones técnicas de la celda de carga proporcionadas por el fabricante se detallan en la siguiente tabla. Tabla 1. Especificaciones técnicas de la celda de carga. (Fuente: Siemens. (2015). Células de carga.) 

Capacidad Parámetro Sensibilidad Tamaño máximo de la plataforma Límite de carga Límite de ruptura Excitación nominal Excitación máxima Impedancia de entrada Impedancia de salida Tipo de circuito de compensac compensación ión Largo del cable

Unidad Kg mV/V cm % Cap. % Cap. V V Ohm Ohm m

Código de color Construcción  



Valor 40 2 35x35 150 300 10 15 415±15 350±3 Puente balanceado balanceado 0.5 + señal: excitación: VerdeRojo - excitación: Negro - señal: Blanco Aluminio

La capacidad es el peso máximo al que se puede someter a la celda e incluye el  peso muerto, el el peso neto máximo y la tolerancia.      =      +     á. á. + +   

(3)

Si se emplea una plataforma para realizar las medidas del peso y su soporte forman parte del peso muerto.

 

  La sensibilidad indica el voltaje que entrega el circuito de la galga por cada



voltio de excitación, cuando está sometida al peso máximo. ñ ñ  á. á. =     ∗      ó ó 

(4)

  Si la capacidad y la carga son iguales, se obtiene:



 ñ ñ  á. á. =     ∗       ó ó ∗  

(5)

  El circuito de compensación es un puente balanceado, esto implica que se tiene



dos galgas, una en operación como sensor y otra para compensación de temperatura que no aporta a la medición. Estas dos galgas se localizan en un cuarto  puente de Wheastone en la celda, al cual se accede mediante cuatro cables codificados por colores. Los cables verde y negro se conectan a la excitación del  puente y en los cables rojo y blanco se tiene las señales de medición positiva y negativa respectivamente. (Otero, 2007)

Figura 5. Ubicación de galgas en una celda de carga. (Fuente: Sánchez, L. (2014). Instrumentación y mediciones. [Figura]. Recuperado de: http://autkomatas.blogspot.com/2015/03/instrumentation-mediciones.html) 

  Para no distorsionar la señal de la galga, no se debe exceder en el largo del cable



que conduce la señal del puente al circuito de acondicionamiento. Según las recomendaciones recomendac iones del fabricante, es 0,5 m máximo.

3.3.Acondicionamiento 3.3.Acondicionam iento de una celda de carga Las especificaciones técnicas de la celda de carga se toman como base para el diseño del acondicionador, acondiciona dor, que hará las funciones de filt filtrar rar y amplificar la l a señal mediante el empleo de un amplificador de instrumentación.

 

3.3.1.  Amplificador de instrumentac instrumentación. ión. El circuito puente del sensor aporta información sobre la medición a manera de una señal diferencial de voltaje en el orden de los milivoltios. En estado de equilibrio, sin alimentación, en la mitad de las ramas del puente existe una señal de 2.5V respecto a tierra debida a la alimentación del circuito. Esta señal es común a ambas salidas por lo cual es llamada Voltaje de Modo Común de la señal diferencial, pero no contienen información útil sobre lo que se quiere medir. Adicionalmente se inducen señales de corriente alterna en ambas entradas a la vez, ocasionadas por el ruido. La siguiente figura muestra una interpretación del voltaje en modo común. (Otero, 2007)

Figura 6. Descripción del equipo eléctrico y electrónico. (Fuente: Otero, P. (2007). Diseño y construcción de una balanza electrónica con una interfaz gráfica para visualización. [Figura])  

Se define el voltaje en modo común como:  =

 +  2

 

(6)

El amplificador operacional configurado como amplificador de instrumentación, permite amplificar la diferencia de las salidas del puente, y ya que el voltaje en modo común y el ruido son idealmente iguales en ambas ramas, la resta da como resultado cero. (Otero, 2007) Las características ideales que se buscan en este circuito son:   Alta impedancia de entrada



  Impedancia de salida nula



  CMRR infinita



  Ganancia diferencial regulable



 

La configuración típica de un amplificador de instrumentación se muestra en la siguiente figura:

Figura 7. Amplificador de instrumentación en base a tres amplificadores operacionales. (Fuente: Otero, P. (2007).  Diseño y construcción construcción de una b balanza alanza ele electrónica ctrónica co con n una interfaz gráfica par para a visualización. visualización. [Figura [Figura]) ]) 

Este circuito está formado por dos amplificadores no inversores como entrada, seguidos  por un amplificador amplificador diferencial. Sus mayores mayores ventajas son son::   Acoplamiento de impedancias de entrada y salida.



  Lazo de realimentación está totalmente aislado de la señal de entrada.



  Ganancia se establece con una sola resistencia, Rg.



Un circuito integrado basado en la configuración de tres amplificadores operacionales operacionales es el AD620 de la Analog Devices, es un amplificador de instrumentación de alta precisión de baja potencia que requiere sólo una resistencia externa para establecer las ganancias de 1 a 10.000. El AD620 con su alta precisión de 40 ppm máxima linealidad, baja tensión de offset de 50μV máximo y la deriva desplazamiento de 0.6μV / ° C máx. es ideal para

su uso en sistemas de adquisición de datos de precisión como balanzas y las interfaces de transductores. (MACTRONICA, 2012) El esquema que se muestra en la siguiente figura el amplificador de instrumentación posee una resistencia Rg que determina la ganancia de voltaje y la transductancia t ransductancia de la etapa de  preamplificación. Esta última característica permite regular los errores relativos a la ganancia y el ruido del voltaje de entrada.

 

  Figura 8. Esquema simplificado del AD620. (Fuente: Siemens. (2015). Células de carga. [Figura]) 

La distribución de pines del amplificador de instrumentación AD620 se muestra en la siguiente figura.

Figura 9. Pines del AD620. (Fuente: Siemens. (2015). Células de carga. [Figura]) 

De acuerdo a las especificaciones de la hoja de datos del AD620 la ganancia se puede calcular mediante la siguiente si guiente ecuación: (7)

49,4 Ω =



+ 1 

Las características del AD620 se muestran a continuación: Tabla 2. Especificaciones técnicas del AD620. (Fuente: Siemens. (2015). Células de carga.) 

Parámetro Voltaje máximo de alimentación Rango de ganancia Ancho de banda G=10 CMRR, G=1 Rango de temperatura Error de ganancia máxima (%) Corriente de alimentación

Unidad V

dB

mA

Valor ±18 1 a 10.000 800 93 -55 a 125 +0.3% 1,3

 

4.  Equipos y Materiales Tabla 3. Equipos y Materiales de Laboratorio. (Fuente: Autores)

NOMBRE

CANTIDAD

Celda de carga 5Kg

1

Multímetro

2

AD620

1

LM741

1

Fuente ±5V

1

Cables

1

GRÁFICO

 

Balanza electrónica

1

Protoboard

1

Software Proteus

1

5.  Procedimiento  

6. Cálculos ñ ñ   =        ∗     .  ñ  ñ   =

ñ  ñ   =

2  2 

   . 

  4.91  

ñ  ñ  = 9.82 9.82  

De acuerdo a la hoja de datos de amplificador de instrumentación AD620, cuando se alimente el circuito integrado con una tensión de 5 V, la tensión de salida se reducirá 1.2V.          = +2.3 +2.3   ± 5   =  − 1.2    = 4.91 − 1.2    = 3.71 

Teóricamente la tensión de salida máxima del AD620 será 3,71V, no obstante, la tensión de salida máxima obtenida de forma experimental, es de 1,53 V.

 

 =

 =

 

 

1,53  9.82

 

 = 155. 155.80 804 4 

 =

49.4 1000 155.8 5.804 − 1

= 319, 319,11 11 

 = 330   Acondicionamiento LM741

     =      =

5

 

1.53  = 3.2679 

=1+

2   1

3.2679 = 1 +

2.26 2.2679 79 =

2   1

2 1

 

1 = 2.2  2 = 2.26 2.2679 79(2 (220 200) 0)  2 = 4989.54 = 5.03 

7.  Resultados Una vez armado el circuito de acondicionamiento de la celda de carga mediante un amplificador de instrumentación AD620 y un amplificador operacional LM741, se tomó el valor de la tensión de salida en función del peso aplicado a la celda de carga, previamente se tomaron medidas del

 

 peso de ciertos objetos mediante una balanza digital para comparar éstos valores con el voltaje ddee salida de la etapa de acondicionamiento con el LM741, los resultados de las mediciones se muestran en la siguiente tabla: Tabla 4. Mediciones de peso y voltaje de acondicionamiento con AD620 y LM741. (Fuente: Autores)

Peso real Objeto Transformador Transformador + lata de aerosol Transformador + envase de metal Transformador + 2 envases de metal Lata de aerosol Bolsa de papas

Medición

Valor 742 1143 926

Unidades gr gr gr

Valor 0,787 1,272 1,271

Unidades V V V

1148

gr

1,068

V

278 2200

gr gr

0,280 2,307

V V

El acondicionamiento del amplificador LM741, se diseñó para obtener una tensión de 5V cuando se aplique un peso de 5Kg, es decir:  

=

5  5

=1

 

 

Teniendo en cuenta la relación de salida del amplificador operacional con respecto al peso aplicado, las mediciones obtenidas por la celda de carga expresada en gramos se muestran en la siguiente tabla: Tabla 5. Mediciones de peso con celda de carga. (Fuente: Autores)

Objeto Transformador Transformador + lata de aerosol Transformador + envase de metal Transformador + 2 envases de metal Lata de aerosol Bolsa de papas

Medición Valor Unidades 787 1272 1271

gr gr gr

1068

gr

280 2307

gr gr

El error generado entre los pesos reales y los medidos con la celda de carga, se muestran en la siguiente figura, donde el error oscila entre 0,72% al 37,26%, es decir, el promedio del error relativo porcentual es de 11,18%.

 

ERROR RELATIVO PORCENTUAL 40.00 35.00     ) 30.00    %     ( 25.00    R    O20.00    R 15.00    R    E 10.00 5.00

37.26

6.06

11.20

6.97

0.72

4.86

0.00

ERROR EN EL PESO MEDIDO DE VARIOS OBJETOS

  Figura 10. Error obtenido entre las mediciones. (Fuente: Autores) 

8.  Conclusiones   De acuerdo a las aplicaciones que se necesitan existen una gran cantidad de



variedades de celdas de carga con características y especificaciones de usos como  por ejemplo off-center/ para plataformas, compresión de bajo perfil, compresión de columna, compresión y tracción, t racción, tracción, cizallamiento, doble cizallamiento, flexión, ejes dinamométricos, de anillo para tirantes, etc.   Mediante el empleo de las fórmulas disponibles en la hoja de datos del



amplificador de instrumentación AD620 se requiere una ganancia de 155.804, es decir, la resistencia Rg debe ser de 330 ohm para amplificar la señal de la celda de carga hasta un máximo de 1,53 V, asimismo, para calibrar la salida s alida del AD620 se empleó un amplificador operacional LM741 cuyas resistencias R1, R2 son 2,2 Ω K y 5,03K Ω respectivamente, de esta forma la tensión de salida variará de 0 a

5V.  



9.  Recomendaciones   Emplear resistencias aproximadas a las obtenidas de las fórmulas de las hojas de



datos de los fabricantes, ya que otros valores generan errores elevados al momento comparar las mediciones con datos reales.

 

10. Bibliografía MACTRONICA. (2012). MACTRONICA. Obtenido de MACTRONICA: http://www.mactronica.com.co/ad620-167575613xJM  Otero, P. (2007). Diseño y construcción de una balanza electrónica con una interfaz gráfica  para visualización. Quito: EPN.