IMPLEMENTACÓN DE UN MEDIDOR DE CAUDAL DIGITAL PARA EL BANCO DE PRUEBAS DEL LABORATORIO DE CONSTRUCCIONES CIVILES FT UDFJC
Fecha de envío: 08/02/2016
IMPLEMENTACÓN DE UN MEDIDOR DE CAUDAL DIGITAL PARA EL BANCO DE PRUEBAS DEL LABORATORIO DE CONSTRUCCIONES
CIVILES FT UDFJC
IMPLEMENTATION OF A DIGITAL FLOW METER FOR THE TEST LAB CONTRUCCIONES CIVILES FT UDFJC
Iván Darío Méndez. Anggelo Iván Cardona
Resumen: En el presente artículo se describe el desarrollo y pruebas de un sistema
medido de caudal digital en el banco de pruebas del laboratorio de construcciones
civiles, comparándolo con un sistema medidor de caudal análogo el cual ya posee el
banco de pruebas por defecto de fábrica, se mejora el sistema para dar un mejor
soporte en datos hacia los usuarios que se dispongan a usar el banco de pruebas. El
resultado final fue un medidor de caudal digital, el cual muestra de forma clara el valor
exacto en el caudal y se implementa una forma interactiva con el usuario ya que podrá
ver los valores de medición en su celular el cual se conectara con el sensor mediante
bluetooth adquiriendo los datos exactos que se estén obteniendo en el momento de la
práctica de laboratorio, esta forma va de acuerdo con lo que rige en la actualidad el
uso de aplicaciones y de teléfonos inteligentes, brindando la forma de que el usuario
tenga más control de la información para que al momento de realizar la práctica los
datos que obtengan en el laboratorio puedan llevarse a casa y trabajarlos. Se busca
brindar una herramienta de ayuda a los estudiantes con los conocimientos obtenidos
en nuestro proceso de formación como tecnólogos
Palabras clave: Caudal, Celular, Medición, Sensor, Bluetooth.
Abstract: In this article the development and testing of a system digital flow measured in
the test lab civil constructions described, compared to a similar flow meter system which
already has the test factory default is improve the system to better support data to users
who have to use the test. The end result was a digital flow meter, which clearly shows the
exact value in the flow and an interactive user is implemented as you can see the
measurements on his cell phone which was connected to the sensor means Bluetooth
acquiring accurate data being obtained at the time of the lab, this form is in accordance
with the currently governing the use of applications and smartphones, providing a way for
the user to have more control information so that at the time of practice the data obtained
in the laboratory can take home and work them. It seeks to provide a tool to help students
with the knowledge gained from our training process as technologists.
Key Words: Flow, Cell, Measurement, Sensor, Bluetooth.
1. Introducción
Se ha observado que en el laboratorio de estructura hidráulica, los estudiantes pueden
llegar a tomar datos erróneos del sensor de caudal análogo que se encuentra en el
canal de fluidos, ya que la toma de datos presenta un error visual, dependiendo el
ángulo en el cual sea visto el sensor, lo que el proyecto logró fue un mayor
desempeño en la toma de datos ya que es de forma digital, el usuario puede ver de
forma fácil los datos adquiridos por el módulo de medición en un teléfono inteligente
mediante la aplicación creada para el canal y así obtener los datos en su mano.
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2. Estado del arte
2.1 Sensor de flujo de micro mecanizado de gas con un flujo de
polidimetilsiloxano.
En este trabajo se presentó un diseño de sensor medidor de flujo por medio de dos
alambres que al calentarse por transferencia de calor detectan el caudal, estos cables
calientan una malla de membrana la cual se encuentra apoyada en el canal de flujo,
este sensor se encuentra sellado perfectamente para no tener variación de su
medición al interferir la temperatura ambiente. Este sensor tiene una respuesta lineal
para velocidades de flujo de hasta 10sccm y la resolución del sensor fue de menos de
0.1sccm [1].
2.2. Sensor de flujo presión monolítico Piezoresistivo con integrado de la señal.
Este sensor fue diseñado con la característica de medir presión y flujo para cubrir la
necesidad de un sistema de control. Para ello trabajaron con un chip de
acondicionamiento de señal (CMOS), el funcionamiento de los dos sensores se basa
en el efecto Piezoresistivo; su calibración demostró una sensibilidad de 1,3mV / mmHg
para el sensor de presión, y 0-5L /min para el sensor de flujo [2].
3. Técnicas de Control
En el mercado existen diferentes tipos de caudalimetro, cada uno con una
característica principal, están los mecánicos los cuales cuentan con un sistema visual,
son conos transparentes donde el fluido al circular impulsa un peso que está contenido
en el cono, a mayor caudal el peso sube y se determina la medición por medio de una
regla ubicada en el cono, se encuentra el molino mecánico el consiste en aspas que
cuando pasa el fluido las aspas giran haciendo avanzar unos contadores, por ejemplo
los contadores de agua; esta el molino electrónico el consiste con aspas las cuales
giran con el fluir del líquido, este molino posee un imán permanente, cuando este gira
genera un campo magnético el cual es variable y leído por un sensor de efecto campo
magnético (sensor de efecto hall)[3], después el circuito electrónico lo convierte en
pulsos los cuales se transmiten por un cable.
Para este proyecto se utilizó el molino electrónico con el sensor de efecto hall, el cual
tiene un rango de trabajo de máximo 12v, emitiendo un pulso de onda cuadrada en
frecuencia la cual es leída con el micro controlador, adquiriendo en tiempo real del
caudal que está pasando por el sensor [3].
4. Descripción del diseño
El diseño consta de tres partes la primera parte es la toma del datos del sensor,
cuando el líquido pase por la turbina y el sensor de efecto hall reciba los datos será
dirigidos a la tarjeta mbed la cual tomara los datos que vendrán en forma de
frecuencia y por medio de programación se realiza una tabla comparativa donde se
entregara el valor en litros por minuto, luego de tener la información se implemento un
medio de visualización para el usuario para ello se realizo dos tipos de sistemas con
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los cuales el usuario tendrá como ver la medida exacta en tiempo real, el primer paso
será un visualización por medio de un computador el que tendrá una aplicación JAVA
la cual visualizara los datos obtenidos, la otra forma será por medio de una aplicación
se debe tener en cuenta que el dispositivo Smartphone que corra Android 2.3 así
podrá descargar la aplicación a su dispositivo y se conectara directamente al sensor
por medio del bluetooth, de esta manera el usuario tendrá dos formas de obtener la
información deseada
4.1 Lectura del sensor
El sensor de efecto hall tiene una etapa de amplificación debido a que la tensión Hall
es muy pequeña (aproximadamente 30uV/G), esta etapa se hace a través de un
amplificador diferencial, también posee un comparador Schmitt Trigger el cual se
encarga de convertir una señal de entrada analógica en una señal de salida digital
funcionando como disparador debido a que conserva la el valor de salida solo hasta
que la entrada cambie lo suficiente como para hacer un cambio[4], circuito interno
figura 1.
Figura 1. Circuito interno. Autor
Modo en el que trabaja el sensor con el Schmitt Trigger ver figura 2.
Figura 2. Modo de operación Schmitt Trigger. [4]
Características del sensor [2] ver tabla 1.
Tabla 1. Características sensor. [4]
En esta imagen se ilustra el modelo del sensor ver figura 3.
Figura 3. Funcionamiento sensor caudalimetro. [3]
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Modelo físico del sensor, carcasa externa ver figura 4.
Figura 4. Carcasa del sensor. [3]
4.2 interpretación de los datos
En esta etapa el sensor envía los datos que obtiene a la mbed la cual se encargara de
interpretar estos datos digitales que viene en forma de frecuencia y por medio de
programación serán comparados para para entregar las unidades de medida con los
cuales el banco de trabajo opera.
La medida máxima son 120 litros y la salida máxima son 100Hz, con este dato realizo
una tabla tres en la cual se obtiene la información que 1Hz equivale a 1.2litros, de esta
manera se genera una tabla en Excel para la equivalencia de frecuencia vs litros
medidos ver figura 5.
Figura 5. Interpretación de datos. Autor
4.3 Visualización
Este proyecto consta de dos formas de visualización, donde las dos formas será muy
prácticas para el usuario
4.3.1 Visualización en el computador
La comunicación de la mbed con el computador será USB serial, la cual lleva los datos
obtenidos por el sensor y procesados por la mbed hacia el equipo, donde un programa
diseñado en java se encarga de recibir los datos para visualizarlos en el pc.
Esta será la visualización que obtendrá el usuario al abrir la aplicación, en ella
encontrar la medición que se está efectuando en el canal de pruebas y además podrá
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oprimir la tecla Hold, la cual le permitirá al usuario recibir una frecuencia exacta sin
oscilación [5] ver figura 6.
Figura 6. Interfaz para computador. Autor
Diagrama e bloques Diagrama de bloques del funcionamiento en el sistema de la
aplicación para dispositivo móvil. Ver figura 7
Figura7. Diagrama de bloques aplicación. Autor
4.3.2 Visualización por aplicación
Se desarrolló una aplicación para equipo Smartphone con Android 2.3 en adelante, la
cual consiste en la toma de datos que se obtiene del sensor los cuales interpreta la
mbed y por medio de conexión bluetooth la mbed los enviara a la aplicación para que
el usuario así obtenga la información, cabe tener en cuenta que al dispositivo
solamente se le puede conectar un dispositivo a la vez, terminada la operación se
desactiva el bluetooth del celular y se activa el de otro equipo Smartphone [6] ver
figura 8.
Figura 7. Interfaz para aplicación dispositivo móvil. Autor
Diagrama de bloques del funcionamiento en el sistema de la aplicación para
dispositivo móvil. Ver figura 9
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Figura9. Diagrama de bloques aplicación. Autor
Donde se observa que la interfaz es muy similar a la interfaz del computador con la
misma función del Hold se anexa a esta aplicación un manual de uso ver figura 10.
Figura 8. Interfaz aplicación. Autor
5. Comunicación
Para este proyecto se usó comunicación vía bluetooth y vía serial la tarjeta mbed
cuenta con una conversión de serial a USB, la cual nos permitió implementar un
módulo bluetooth BC417 el cual permite la comunicación a un dispositivo celular
(Smartphone) que posea la aplicación descargada, se debe tener en cuenta que solo
permite comunicación con un solo dispositivo a la a la vez, ya si otro usuario desea
conectar su dispositivo y cuenta la aplicación el deberá esperar que el usuario que se
conectó primero termine su proceso y de ahí si el podrá obtener los datos [7]
6. Diseño de estructura
Se diseñó una caja estéticamente agradable en la cual todos los circuitos irán dentro
de ella; para ello se utilizó el Autocad versión 2016, en este se realizó la estructura de
la caja, para dar uso de la impresora 3D con la cual cuenta la Universidad Distrital
Facultad Tecnológica, donde los requisitos son llevar el diseñó en Autocad y la firma
de nuestro tutor y una contribución con materiales que hagan falta en el laboratorio
Las imágenes obtenidas están en 3D Builder [8] ver figuras 11, 12, 13,14.
Figura 9. Diseño de caja para el circuito. Autor
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Figura 10. Diseño de caja para el circuito. Autor
Figura 11. Diseño de caja para el circuito. Autor
Figura 12. Diseño de caja para el circuito. Autor
7. Diseño de PCB
Se utilizó Eagle el cual posee plantilla para realizar esquemas de arduino, tomado
estos esquemas se implementó la baquela que se uso para realizar las conexiones, la
mbed posee la misma plantilla de conexiones con la cual trabaja el arduino, esto
facilitó la creación de la pcb, debido a que se puede tomar un plantilla la cual ya
tendría las dimensiones para realizar las conexiones sobre el arduino que en este
caso sería la tarjeta mbed, lo cual dejaría trabajarla y poder diseñar una baquela que
se pondrá sobre la mbed y esto [9] ver figuras 15, 16.
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Figura 13. Esquema baquela. Autor
Figura 14. Esquema baquela. Autor
8. calibración
La calibración del sensor fue mediante pruebas en el laboratorio donde se usó una
motobomba con control de flujo graduable el cual se trabajo para obtener las
mediciones comparando con la tabla que se realizó matemáticamente con la relación
del sensor la cual 1Hz equivale a 1.2litros por minuto, gracias a estas pruebas se
determino que el sensor se comporta de una manera óptima y no se sale del rango
establecido por el fabricante, de igual modo se hicieron la pruebas de visualizaciones
en pantalla para tener la seguridad que la información está llegando completa sin
ningún tipo perdida o ruido acompañado de mediciones erróneas.
Las primera pruebas realizadas fueron con el osciloscopio conectando solamente la
salida del sensor a este y rectificando la señas de salida sea una onda cuadrada sin
armónicos y picos de interferencia, gracias a esto se establece que las salida es onda
cuadrada que va dese el valor cero hasta el valor neto de alimentación del sensor
(voltaje de alimentación), teniendo esto en cuenta se procede a realizar el programa
en la MBED, el cual mediante interrupciones lee los francos de subida en un tiempo
establecido y de este modo se puede leer la frecuencia del sensor y determinar
mediante la ecuación
(𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝐻𝑧) ∗ (1.2) = #𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜
Ecuacion1.
Donde la constante de 1.2 obtiene de:
𝑙𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎
𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎= 𝐶𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟
Ecuacion2.
Se realizan pruebas en el laboratorio de construcciones civiles y los caudalimetros usados en él laboratorio se encuentran a una escala de litros por hora por ende se le
hace este ajuste al sensor par así dejar la misma medida en los componentes del laboratorio, se hace este ajuste multiplicando la constante del sensor por 92.5 dando
así una nueva constante de 111.
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9. Conclusiones
Este proyecto se realizó con el fin de brindar una herramienta exacta al usuario que
desee adquirir los datos del canal para sus prácticas de laboratorio sin tener error en
la visualización.
Este proyecto no hizo dar uso de los conocimientos adquiridos en nuestra carrera y
enfocarlos en la solución de un problema para nuestra misma universidad.
Lo que se buscó con el proyecto es realizar una forma didáctica para la adquisición de
datos de una forma actual en tecnología que fue el uso de una aplicación para
Smartphone ya que esta tendencia está ayudando mucho a los usuarios en la toma de
cualquier tipo de información ya que es versátil y fácil obtener los datos en sus manos
sin ninguna complicación para así realizar informes de las practicas con mayor
facilidad, debido a que de esta manera se tendrá una información en el medio digital y
podrá ser compartida entre los usuarios sin ningún problema.
Referencias
[1] J. Sun, D. Cui, L. Zhang, X. Chen, and H. Li, “A Micromachined Gas Flow Sensor With Polydimethylsiloxane Flow Channels,” J. Microelectromechanical Syst., vol. 22, no. 3, pp. 723–729, Jun. 2013.
[2] D. Li, T. Li, and D. Zhang, “A Monolithic Piezoresistive Pressure-Flow Sensor with Signal-Conditioning Circuit,” IEEE Sens. J., vol. 11, no. 9, pp. 2122–2128, Sep. 2011.
[3] FACET, UNT, “Criterios de selección de Caudalimetro”, Mayo 2014. [En línea]. Disponible en: http://www.herrera.unt.edu.ar/controldeprocesos/tema_3/tp3b.pdf
[4] R. Martin Murdocca, “Sensores de efecto Hall”, Julio 2011. [En línea]. Disponible en:
http://www0.unsl.edu.ar/~interfases/labs/lab09.pdf
[5] “mini,manual,AutoCAD.doc.”[Online].Available:
https://onedrive.live.com/view.aspx?cid=F651E27796FCB240&resid=F651E27796FCB240%21128&app=Word. [Accessed: 08-Feb-2016].
[6] “Jorge Sanchez, profesor de informática. Manuales, ejercicios y documentos sobre cursos de informática.” [Online]. Available: http://jorgesanchez.net/programacion/index.html. [Accessed: 08-Feb-2016].
[7] “Crear una app móvil de éxito: Guía básica.” [Online]. Available:
https://www.yeeply.com/blog/crear-una-app-movil-de-exito-tu-guia-basica/. [Accessed: 08-Feb-2016].
[8] “BC417 Bluetooth to Serial [Arduino] - Electronics Components.” [Online]. Available: https://www.elabpeers.com/bc417-bluetooth-to-serial-arduino.html. [Accessed: 08-Feb-
2016].
[9] “Tutorial diseño de PCB con Eagle 7.2.” [Online]. Available: http://es.slideshare.net/antonioortegavalera/tutorial-diseo-de-pcb-con. [Accessed: 08-
Feb-2016].
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