UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA AGRÍCOLA AUTOMATIZACIÓN DE LA CAPTACIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS EN EL BANCO DE ENSAYOS DE EQUIPOS HIDRÁULICOS DEL LABORATORIO DE INGENIERÍA RURAL, CON EL DESARROLLO DE UNA APLICACIÓN EN LABVIEW TRABAJO FINAL DE CARRERA ALUMNO: DAVID DE LA TORRE RAUSELL DIRECTOR ACADÉMICO: JAIME ARVIZA VALVERDE DIRECTOR EXPERIMENTAL: PABLO GONZÁLEZ ALTOZANO VALENCIA, OCTUBRE DE 2003

2 INDICE GENERAL 1 INTRODUCCIÓN Como surgió la idea Autor Lugar de desarrollo Introducción a Labview, un instrumento virtual (VI) MATERIALES Y MÉTODOS Equipamiento del laboratorio Descripción genérica del laboratorio: Sensores de presión: Sensores de caudal electromagnéticos: Tarjeta de adquisición de datos PCI E6023 de Nationals Instruments Programación gráfica Programación Modular y Estructurada Diseño de una aplicación Introducción de comandos de Labview, usados en el VI RESULTADOS Funcionamiento del programa Flujo de Datos Descripción de funciones Detalle del funcionamiento de los subvi creados para este programa en concreto: Calibración de los sensores APLICACIÓN Utilización del programa CONCLUSIONES I-

3 INDICE DE FIGURAS Figura 1, vista general del banco de pruebas del laboratorio... 4 Figura 2, conexiones de los sensores de presión a la regleta de la tarjeta de adquisición de datos... 5 Figura 4, diagrama de programación Figura 5, Introducción de datos al programa y ordenación Figura 7, la matriz inicial se desglosa en cuatro submatrices, número de sensor, valor de lectura en voltios, pendiente y constante Figura 8, se aplican las formulas de calibrado, para obtener el valor en las unidades deseadas Figura 9, se hace la transpuesta de la matriz Figura 10, en este paso se preparan los datos para hacer la media Figura 11, salen los datos de la estructura Sequence, y esperan a que se termine el bucle Figura 12, cuenta el número de muestras Figura 13, se aplica la media a las matrices de los valores calibrados, los datos se dirigen a la gráfica de Valores medios. Por último se guardan en una hoja de Excel Figura 13, Estructura Case dentro de una estructura For Loop, utilizada para repitir el ciclo mientras tantas veces como datos de entrada tenga Figura 14, forma una matriz con los valores seleccionados Figura 16, Figura Figura 18, sensor de presión junto al manómetro tipo bourdon utilizado para su calibración Figura 19, regleta Figura 20, tarjeta readquisición de datos conectada en una ranura PCI Figura 22, sensor N2 de 10 bar II-

4 Figura 23, sensor de presión N-1 de 6 bar Figura 24, sensor N-2 de 0-6 bar Figura 25, caudalímetro electromagnético. N Figura 27, Pérdidas de carga en una placa orificio 5mm. Válvula ¾ Figura 29, Pérdidas de carga en una placa orificio 30mm. Válvula III-

5 1 INTRODUCCIÓN Poco a poco la tecnología se introduce en todos los sectores. Incluso en un sector tradicionalmente con gran resistencia al cambio, como el agrícola, cada día es más decisiva, y se hace imprescindible, para controlar los posibles factores que influyen en el funcionamiento y rendimiento de las explotaciones. Por ello, la posibilidad de automatizar el control de todos esos factores de una forma sencilla y clara, para posteriormente ser interpretados y en consecuencia, actuar de una forma rápida, se traduce en un ahorro de tiempo y dinero. 1.1 Como surgió la idea Este proyecto surgió a partir de una iniciativa del Departamento de Ingeniería Rural, pensó en una mejora del laboratorio de hidráulica, solicitando para ello una beca P.I.E. 1.2 Autor La aplicación ha sido desarrollada conjuntamente entre el alumno de Mecanización y Construcciones Agrarias, David de la Torre Rausell, y los profesores Pablo González, Jaime Arviza e Iban Balbastre, todos ellos pertenecientes al Departamento de Ingeniería Rural. 1.3 Lugar de desarrollo El lugar de desarrollo de la aplicación fue el propio laboratorio de ingeniería rural de la E.U.I.T.A. - 1-

6 1.4 Introducción a Labview, un instrumento virtual (VI). Cuando se habla de instrumentos de medida, es normal pensar en una carcasa rígida, en la que destaca su panel frontal lleno de botones, leds, indicadores, gráficos, etc. En la cara oculta del panel, los sensores se conectan a unos circuitos que accionan y procesan las señales de entrada, en función del estado de los controles, devolviendo el resultado a los correspondientes visualizadores del panel frontal. Un instrumento virtual es un módulo de programación que simula el panel frontal del instrumento que antes hemos comentado y apoyándose en elementos de hardware accesibles por el ordenador: tarjetas de adquisición de datos, instrumentos accesibles vía GPIB,( General Purpose Interface Bus, Bus estándar para controlar mediante ordenadores elementos electrónicos), RS232, (Recommended Standard 232), realiza las medidas como si se tratase de un instrumento real. De este modo, cuando se ejecuta un programa que funciona como instrumento virtual o (VI), el usuario ve en la pantalla del ordenador un panel cuyo aspecto es idéntico al panel de un instrumento físico, facilitando la interpretación de la información y permitiendo el control del sistema, como lo haría su homologo físico. 2 MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 Equipamiento del laboratorio Para su monitorización, lectura y tratamiento: Sensores de presión Caudalimetros electromagnéticos Tarjeta adquisición de datos PCI-E6023 de National Instrumens Fuente de alimentación de 24 V-4A Elementos accesorios, (cables, resistencias, etc.) Ordenador Compatible Pentium - 2-

7 2.2 Descripción genérica del laboratorio: Ordenador PC compatible Pentium Los requisitos mínimos del ordenador son: Procesador Intel Pentium con 64 Mbyte de memoria RAM. Placa controladora de video de 1 Mbyte de RAM y el disco duro con unos 350 Mb libres. Disponer además de 8 ranuras ISA de 16 bits o PCI. El software necesario para la ejecución de la aplicación es el sistema operativo Windows, sobre el que instalamos los paquetes de programación gráfica para el control de instrumentación Labview versión 6i. Elementos del Laboratorio: Un deposito de agua con una capacidad de 5000 litros. Dos bombas de tipo 22P NC SAER, con una potencia de 20 CW, 2900 r/mim, caudal de 10 a 70 m 3 /h y una altura manométrica de 81 a 55 metros de columna de agua (m.c.a.), se alimenta a 220V. Una de las bombas es gobernada mediante un variador de frecuencia. La conexión de las bombas al banco de pruebas permite que estas trabajen solas o bien que se conecten en serie o en paralelo. Dos válvulas de compuerta de 4. Un filtro de malla de 6. Dos válvulas de compuerta de 3. Dos caudalimetros electromagnéticos. Válvula contador limitadora de caudal, mediante placas orificio. Todos estos elementos están unidos mediante una tubería de PVC de 3, excepto a la salida de las bombas, en que se ha usado tubería de fundición de 4. El banco de pruebas dispone de dos brazos de trabajo, uno de 3 y el otro de 2, para tener mayor versatilidad a la hora de su uso. - 3-

8 Figura 1, vista general del banco de pruebas del laboratorio. 2.3 Sensores de presión: Descripción genérica de los sensores Los transductores de presión, están diseñados para convertir la presión en el interior de la tubería a una intensidad de entre 4 y 20 ma, proporcional a la presión a que están sometidos. Como la tarjeta de adquisición de datos únicamente es capaz de medir voltaje, esta intensidad se transforma en una diferencia de potencial colocando la resistencia apropiada entre los bornes de lectura en la tarjeta. Los sensores requieren una fuente de alimentación para proporcionar la señal. Tanto la resistencia como la fuente deben seleccionarse adecuadamente. Conexiones Hay dos formas de conectar los sensores. Dependiendo de la conexión elegida las señales serán de diferente tipo. La forma de conexión realizada consiste en, usar sólo dos contactos del sensor, 1 y 2 (figura 2). Mediante una - 4-

9 fuente de alimentación, unimos el contacto 2 del sensor con el positivo de la fuente y el 1 del sensor con el positivo de la tarjeta. En este tipo de conexión, el sensor proporciona una intensidad entre 4-20 ma, que posteriormente se transforma en voltaje mediante una resistencia, colocada entre los bornes de lectura de la tarjeta. Ω Figura 2, conexiones de los sensores de presión a la regleta de la tarjeta de adquisición de datos Fuente de alimentación La fuente de alimentación según especificaciones técnicas del fabricante de los sensores, debe proporcionar una diferencia de potencial en el rango de V. Se ha elegido una fuente de 24V, tras comprobar que con una de 12 V el error introducido por el ruido era demasiado grande. Resistencias La resistencia es una de las claves en el acondicionamiento de la señal. Un mal uso de este parámetro puede acarrear la disminución de la precisión, pudiendo incluso llegar a imposibilitar la toma de datos, cuando la intensidad aumenta por encima de los límites permitidos por la tarjeta de adquisición de datos. Para la elección de la resistencia, se parte del rango de voltaje de la tarjeta de adquisición de datos, que permite leer entre -10 a 10 V. Las resistencias utilizadas son de 484 Ω y de 1% de precisión. A continuación se muestran las ecuaciones utilizadas para el cálculo de las resistencias, así como el rango de medida: - 5-

10 La siguiente formula permite calcualr resistencia máxima que podemos utilizar: R ( V 10) in 0.02 Sustituyendo el valor V in = 24 V obtenemos: ( 24 10) R = 700 Ω 0.02 Como la resistencia elegida es de 484 Ω, el rango de medida será: V = I R = = V V = I R = = 9. 68V Rango que está dentro del límite permitido por la tarjeta ±10V y es suficientemente amplio como para permitir una precisión más que aceptable. Tipos de sensores de presión: Los sensores de presión se pueden clasificar en base a sus presiones máximas y mínimas de trabajo. En el laboratorio disponemos de los siguientes tipos: P= 0-2,5 bar P= 0-6 bar P= 0-10 bar - 6-

11 2.4 Sensores de caudal electromagnéticos: Descripción genérica de los sensores Principios de Funcionamiento: La medición de fluidos por medio del contador electromagnético está basada en el principio de Faraday: según el cuál, si a través de un campo magnético se hace pasar un fluido conductivo, se produce una fuerza electromotriz en un plano perpendicular al campo magnético y a la dirección del fluido directamente proporcional a la velocidad del mismo. La fuerza electromotriz inducida es proporcional a la velocidad y por tanto al caudal. Medidor: Está constituido principalmente por un tubo, revestido en su interior de material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna, se encuentran los dos electrodos metálicos entre los cuáles se genera la señal eléctrica medida. En la parte externa del tubo se encuentran perpendicularmente a los electrodos de medida los dispositivos que generan el campo magnético. Todo está recubierto de una protección externa con diversos grados de seguridad. Convertidor: El convertidor electrónico sirve principalmente para amplificar y acondicionar las señales provenientes de los electrodos. Suministra al medidor la corriente necesaria para generar el campo magnético. Permite variar el valor del caudal de fondo de escala respecto al valor nominal del medidor. Genera una señal eléctrica proporcional al caudal. El convertidor esta provisto de autocero, por tanto no es necesario ningún ajuste del cero en el momento de la instalación. - 7-

12 Conexiones Dispone de una fuente de alimentación y de salidas de 0-6 V proporcional al caudal. La conexión a la tarjeta es directa sin resistencias, puesto que proporciona una señal en voltios que la tarjeta es capaz de medir (0 a 6 V). Tipo de contador electromagnético: Modelo MC106/A de la casa Hidroconta. 2.5 Tarjeta de adquisición de datos PCI E6023 de Nationals Instruments. Se trata de una tarjeta de bajo coste, multifunción de entradas analógicas y digitales, con salidas digitales y de temporización, destinada a ordenadores compatibles. Sus características principales son: -16 canales single ended (simples) o 8 diferenciales, ambos de 16 bit -Frecuencia de muestreo de 200kS/s -Ganancia programable de 1, 10, 100 -Margen de entrada de ±10 V -Protección contra sobre tensión de ± 35 V -2 contadores/temporizadores de 24 bit, 20MHz Tras la instalación, se configura la tarjeta de adquisición de datos, definiendo y configurando todos los canales a utilizar. Esta parte es muy delicada, debido a que es donde se define como se van a conectar los sensores a los canales. Existen dos formas de conexión: a) Canales simples referenciados a tierra: Con esta disposición duplicamos el número de canales que se pueden medir con la tarjeta, hasta un total de 16. Esta forma se basa en utilizar el - 8-

13 positivo y el negativo de cada canal de la tarjeta, como si fueran dos canales independientes. Usando el destinado a tierra para la referencia en la lectura de datos. Físicamente las conexiones se realizan de la siguiente manera: Se conectan el positivo del sensor y de la fuente de alimentación (figura 2). El borne negativo del sensor se conecta al positivo del canal de medida en al tarjeta. El borne negativo de la fuente de alimentación se conecta al tierra de la tarjeta. Para calcular la intensidad que genera el sensor en función de la presión, se mide la diferencia de potencial entre el + o - y tierra, colocando una resistencia entre ambas (figura 2). Al conectar de esta manera se pierde precisión en la lectura, pero aun así, es más que aceptable y nos permite disponer del doble de canales. b) Canales diferenciales: De esta forma se utiliza el positivo y el negativo de la tarjera para un solo canal. Por lo que pueden llegar a leerse como máximo hasta 8 canales a la vez, pero con mayor precisión. En la configuración hay que definir que tipo de señal y en que rango va a medir cada canal. 2.6 Programación gráfica Cuando se crea un VI en Labview trabajamos con dos ventanas: una se implementará en el panel frontal (Fig. 1.3) y otra soportará el nivel de programación, diagrama (Fig. 1.4). Para la creación del panel frontal se dispone de una completa librería de controles e indicadores de todo tipo y además, existe la posibilidad de crear todos los necesarios, por el propio usuario. - 9-

14 Figura 3, Panel frontal. Cuando un control es pegado desde la librería del panel frontal al propio panel frontal, se crea una variable cuyos valores vendrán determinados por el usuario. Inmediatamente, aparece un terminal en la ventana de programación. La programación del VI consistirá en conectar los terminales ligados al control del panel frontal, que son bloques funcionales, de tal forma que se visualice el panel frontal deseado y se ejecuten las tareas y controles programados, por ejemplo, que se encienda una luz o salte una alarma, cuando la presión en un punto sea menor que en otro. Los bloques funcionales son funciones del código de programación que realizan tareas especificas, se representan mediante iconos con entradas y salidas para conectar unos bloques a otros, mediante cables ficticios por donde fluyen los datos, - 10-

15 constituyendo el nivel de programación del VI. Figura 4, diagrama de programación Podemos comparar la ventana de programación con una placa de circuito impreso, donde los terminales del panel frontal se cablean a bloques funcionales (circuito integrado), los cuales se interconectan para utilizar los datos tomados con la tarjeta de adquisición en las operaciones internas del programa, y así mostrarlos en pantalla, y/o guardarlos conforme se desee. A su vez, estos diagramas contienen bloques circuitales conectados ente sí, al igual que un icono está formado por la interconexión de otros iconos. La programación gráfica permite diseñar un VI de manera bastante intuitiva, plasmando las ideas de forma similar a un diagrama de bloques, como se haría sobre una pizarra

16 2.6.1 Programación Modular y Estructurada Programación estructurada Nuestro objetivo es programar de forma clara, simple y fiable. Un criterio que podemos aplicar, es intentar que el texto del programa (estructura estática) nos dé una idea clara de la evolución seguida por el programa cuando se ejecuta (estructura dinámica).todo proceso complejo puede descomponerse en acciones elementales, que convenientemente dispuestas, constituyen acciones más complejas. Con tal fin limitaremos el conjunto de estructuras a : Secuencial Condicional Iterativa Estructura secuencial: Un proceso será secuencial cuando conste de una serie de acciones elementales, que se ejecutarán en el orden que se ha establecido. Como ejemplo, para realizar el proceso PAN CON TOMATE las acciones que realizaremos serán: Inicio de secuencia Acción 1 Cortar el pan Acción 2 Rallar el tomate Acción 3 Untar el tomate en el pan Acción 4 Poner el aceite Fin de la secuencia Estructura condicional: La emplearemos cuando dos acciones alternativas y excluyentes dependan de una condición. En el lenguaje natural diremos SI hace frío - 12-

17 Entonces iré a la montaña SI NO iré a la playa. IF hace frío THEN iré a la playa ELSE me quedo en casa. La condicional múltiple puede ser generada a partir de IF encadenado o mediante la instrucción Case. Estructura repetitiva o iterativa: Mientras haya luz recoge las sillas del jardín Pon las patatas en la cazuela hasta que esté llena Copia cien veces la lección Son acciones que implican la repetición de un proceso (recoger una silla, poner una patata, copiar una lección). Pero existen diferencias entre ellas. En el primer caso se repite la acción mientras la condición es cierta. Si es falsa nunca se ejecuta. En el segundo repetimos la acción hasta que la condición se cumple. Si al empezar ya es cierta la condición, la acción o acciones se ejecutan como mínimo una vez. En el tercer caso repetimos la acción o acciones tantas veces como nos indica una variable contador. Labview dispone de las estructuras WHILE LOOP y FOR LOOP, para programar este tipo de estructuras. Programación Modular La programación modular, es un método de diseño que consiste en dividir el problema total en pequeñas partes que poseen personalidad propia. Diseño Top-Down: este diseño se basa en la creación de macro aplicaciones a partir de estructuras simples. Frecuentemente debe repetirse una cierta secuencia de sentencias en varios lugares de un programa. Para ahorrar al programador el tiempo y el esfuerzo necesarios en copiar de nuevo estas sentencias, muchos lenguajes de programación ofrecen una posibilidad de subrutina (subprograma o subvi). Este mecanismo posibilita asignar un nombre, libremente elegido a una - 13-

18 secuencia de sentencias y entonces utilizar este nombre como una abreviatura en cualquier parte en que se deba ejecutar esta secuencia de sentencias. En Labview, la utilización de subprogramas llamados subvi simplifica la programación. No existe diferencia entre funciones y procedimientos. Un subvi se puede ejecutar sin necesidad de ejecutar toda la aplicación; algo impensable en lenguajes de programación como Pascal, donde un procedimiento necesita ejecutarse dentro del programa. El pase de parámetros se hace a través de los terminales de conexión del bloque, donde aparece un cierto número de terminales definidos en la creación del icono correspondiente del subvi Diseño de una aplicación USO DE Labview Como ya sabemos, los programas creados en Labview reciben el nombre de Instrumentos Virtuales (Virtuals Instrumenst,VI). Cada VI consta de los siguientes tres componentes: Un Panel Frontal. Es la interface del usuario. Un Diagrama de Bloques. Contiene el código fuente gráfico que define la funcionalidad del VI. Icono conector. Identifica a cada VI, de manera que podemos utilizarlo dentro de otro VI. Un VI dentro de otro VI recibe el nombre de subvi. Seria como una subrutina en un lenguaje de programación basado en texto. Panel Frontal y Diagrama de Bloques El Panel Frontal se constituye a base de controles e indicadores, los cuales no son más que los terminales de entrada y salida, respectivamente, del VI. Como controles podemos tener knobs y dials (botones rotatorios), pulsadores y otros dispositivos de entrada. Como indicadores tenemos gráficas, LEDs y otros visualizadores. Los controles simulan elementos de entrada al instrumento y proporcionan datos al diagrama de bloques. Los - 14-

19 indicadores simulan elementos de salida del instrumento y visualizan los datos que el diagrama de bloques adquiere o genera. Una vez hemos construido el panel frontal, desarrollamos el código de programación usando funciones que controlarán los objetos del panel frontal. Los diagramas de bloques contienen el código fuente. Los objetos del panel frontal aparecen como terminales en el diagrama de bloques, pero no podemos eliminarlos desde aquí. La única manera de que desaparezca un terminal es eliminando su correspondiente objeto en el panel frontal. 2.7 Introducción de comandos de Labview, usados en el VI. Durante la programación, muchas veces es necesario ejecutar un mismo conjunto de sentencias un número determinado de veces, o que éstas se repitan mientras se cumplan ciertas condiciones. También puede ocurrir que queramos ejecutar una sentencia dependiendo de las condiciones fijadas, o simplemente forzar que unas se ejecuten antes que otras. Para ello se han utilizado estructuras propias de Labview, que se describen seguidamente: Estructuras iterativas: FOR LOOP y WHILE LOOP For Loop: Esta estructura se utiliza cuando se quiere repetir una secuencia un determinado número de veces. Posee dos iconos constantes: Terminal contador: es una N en un cuadro azul, contiene el número de veces que se ejecutará el subdiagrama creado en el interior de la estructura. El valor del contador se fija externamente

20 Terminal de iteración: es una I dentro de un cuadro azul, indica el número de veces que se ha ejecutado la estructura: Cero durante la primera iteración, uno durante la segunda y así hasta N-1. While Loop: Esta estructura se utiliza cuando se quiere repetir una operación mientras una determinada condición sea cierta o falsa. Al igual que For Loop contiene dos terminales: Terminal condicional: A él conectaremos la condición que hará que se ejecute el subdiagrama. Labview comprobará el estado de este terminal al final de cada iteración. Se puede configurar este terminal de manera que pare si la condición es cierta, o bien que pare si la condición es falsa. Terminal de iteración: Indica el número de veces que se ha ejecutado el bucle y que, como mínimo, siempre será una I=0 Los registros de desplazamiento o shift register son variables locales, disponibles tanto en el For Loop como en el While Loop, que permiten transferir los valores del final de una iteración al principio de la siguiente. Cuando un cable atraviesa los límites del Loop, aparece un el borde un nuevo terminal llamado túnel, que hace de conexión entre cada iteración del Loop, pudiendo guardar de esta manera no sólo el último valor de todas las iteraciones sino también los valores intermedios en forma de matrices. Estructuras Case y Sequence: Este tipo de estructuras se diferencia de las iterativas en que puede tener múltiples subdiagramas, de los cuales solamente uno es visible a la vez. En la parte superior de cada estructura existe una pequeña ventana que muestra el identificador del subdiagrama abierto en ese momento. A ambos lados de esta ventana existen dos botones que decrementan o incrementan el identificador de forma que podemos ver el resto de subdiagramas

21 Case: La estructura Case se ha utilizado para aquellas situaciones en las que el número de alternativas disponibles sean dos o más. Según qué valor tome el selector dentro de los n valores posibles, se ejecutará en correspondencia uno de los n subdiagramas. Sequence: Esta estructura no tiene homóloga en los diferentes lenguajes convencionales de programación, ya que en éstos las sentencias se ejecutan en el orden de aparición, mientras que, en Labview una función se ejecuta cuando tiene disponible todos los datos de entrada. Se produce de esta manera una dependencia de datos que hace que la función que recibe un dato directa o indirectamente de otra, se ejecute siempre después, creándose un flujo de programa. Pero existen ocasiones en que esta dependencia de datos no existe y es necesario que un subdiagrama se ejecute antes que otro; es en estos casos cuando se utiliza la estructura Sequence para forzar un determinado flujo de datos. Cada subdiagrama estará contenido en un marco (frame) y estos se ejecutarán en orden de aparición. Datos estructurados Matrices (Arrays): Un matriz es una colección de datos, todos ellos del mismo tipo. Puede tener una o más dimensiones y hasta 2 31 elementos por dimensión, según la memoria disponible

22 Clusters: Un cluster en Labview es una colección ordenada de uno o más elementos. A diferencia de las matrices, los clusters pueden contener cualquier combinación de tipos de datos. Se accede a sus elementos desglosándolos todos a la vez, en lugar de indexarlos uno a uno. Otra diferencia con las matrices es que los clusters tienen un tamaño fijo. Al igual que en el caso de las matrices, los clusters no pueden tener combinación de indicadores y controles. Controles e indicadores string (caracteres) Un string es una colección de caracteres ASCII. En el control de instrumentos pasamos los datos numéricos como cadenas de caracteres, a continuación, convertimos esas cadenas en números. Por eso se necesitan caracteres para almacenar datos numéricos en disco. 3 RESULTADOS El programa creado, mediante Labview, se utilizará junto a una tarjeta de adquisición de datos, de National Instrumens (NI), para medir todos los sensores instalados en el laboratorio de hidráulica de la E.U.I.T.A., indiferentemente del tipo de pruebas que se realicen en el mismo. Es una herramienta más a la hora de asegurar la precisión de las mediciones realizadas en el laboratorio. 3.1 Funcionamiento del programa Antes de ejecutar el programa, hay que introducir una serie de datos para el correcto funcionamiento de la aplicación: 1) Determinar cada cuantos segundos tiene que hacer la media de los valores adquiridos en cada canal

23 2) Especificar el nombre del archivo y ruta donde guardará los datos en formato Excel, por defecto el programa lo guardará en el directorio raíz c:\prueba.xls. 3) Seleccionar los canales de los sensores que queremos medir. 4) Rellenar los parámetros, pendiente y constante de calibrado de cada sensor utilizado. Los valores introducidos en estas celdas no se guardan una vez que se cierra el programa, a no ser que se indique al programa que escoja esos valores como iniciales. Para realizar esta operación hay que hacer clic con el botón derecho del ratón sobre las celdas cuyos valores se quieren establecer como iniciales. Está acción desplegará un menú, donde aparecerá la opción Data Operatións, dentro de esta opción se selecciona Make Current Value Default. Una vez puesta en marcha la aplicación, las diferencias de potencial producidas por los sensores, son convertidos en datos digitales a través de la tarjeta. La aplicación adquiere los datos de cada uno de los canales de la tarjeta de forma prácticamente instantánea, (la velocidad máxima de muestreo es de muestras por segundo) los datos son introducidos en el diagrama de programación. El programa aplica a cada uno de esos datos una ecuación de transformación, para pasar de voltaje a presión, caudal, humedad, etc., en función del tipo sensor que estemos utilizando en cada canal. A continuación los datos son enviados a dos lugares diferentes: 1) En el primero, los datos se muestran en una gráfica cuyo nombre es Valores instantáneos. Estos datos sólo se mostrarán, pero no se guardarán. 2) En el segundo, los datos se acumulan en matrices ordenadas, hasta que el tiempo transcurrido es igual al establecido entre muestras. Entonces los datos son enviados, separados según su número de canal a unos subvi en los cuales se calcula la media de cada una de las matrices, - 19-

24 obteniéndose el valor medio de las medidas adquiridas en cada canal. Se construye una nueva matriz de dimensiones 1x16 con los valores medios de cada canal. Mediante un subvi selección de canales se eligen sólo los valores de los canales que hallan sido seleccionados al principio de la aplicación. Para calcular los valores de pendiente y constante, se ha usado la aplicación creada en este proyecto. Poniendo en las celdas de pendiente un 1 y en las celdas de constante un 0, así se consigue que los valores guardados sean valores de voltaje. Estos, junto con las medidas tomadas manualmente de manómetros, caudalimetros, etc. permiten obtener las rectas de calibrado. (ver apartado 3.2 calibración de los sensores). Para parar la ejecución del programa simplemente hay que pulsar el botón de STOP Flujo de Datos El subvi AI Config configura las entradas analógicas especificando los canales operativos, y seleccionando la tarjeta a utilizar. En el caso de que no detecte ninguna tarjeta, el subvi da una señal de error que detiene la ejecución de la aplicación. Los datos, leídos por la tarjeta se dirigen hacia otro subvi llamado AI Simple channels, el cual construye una matriz ordenada con un valor de cada canal leído por la tarjeta. Este subvi selecciona los canales antes de introducirlos en la matriz de salida, por defecto, medirá siempre los 16 canales. A continuación se representa la secuencia seguida en el proceso de adquisición de datos y su preparación: - 20-

25 Matriz inicial V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 12 V 13 V 14 V 15 V º se añade nueva fila con los nº de sensor V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 12 V 13 V 14 V 15 V 16 P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 9 P 10 P 11 P 12 P 13 P 14 P 15 P 16 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8 C 9 C 10 C 11 C 12 C 13 C 14 C 15 C 16 2º Se añade la pendiente y const. de cada sensor V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V 10 V 11 V 12 V 13 V 14 V 15 V 16 P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 9 P 10 P 11 P 12 P 13 P 14 P 15 P 16 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8 C 9 C 10 C 11 C 12 C 13 C 14 C 15 C 16 Matriz completa de datos. A partir de este punto, a la matriz inicial se le van agregando filas, hasta que llega a una estructura Sequence. (ver figuras 6, 7, 8, 9, 10, 11). En ésta, se seleccionan los sensores que se mostrarán posteriormente y se le aplican las rectas de calibrado pertinentes a cada uno. Con lo que al final de la secuencia tenemos 16 salidas de datos ya calibrados. A la vez, mide el tiempo y el número de muestras seleccionadas por el usuario anteriormente. Una vez cumplidas todas las condiciones iniciales, los datos se dividen en dos. Una copia que irá directamente a la gráfica y la otra pasará antes por un subvi, donde se hará la media, para posteriormente ser mostrados en la gráfica Valores medios y guardados en una hoja de Excel. El ciclo comienza de nuevo hasta que el usuario decida terminar con la ejecución del programa, pulsando el botón de STOP

26 3.1.2 Descripción de funciones Tras una visión general del funcionamiento del VI, se explicará paso a paso cada una de las funciones que constituyen el programa. Una vez el subvi AI Config, ha configurado la tarjeta, y antes de que actúe el subvi AI Simple channels, el programa comprueba si el usuario ha dado la orden de paro de la aplicación. Esto lo hace con unos controladores boleanos (verdadero/falso), que según en la posición en que estén interrumpen o no la aplicación. Después de chequear el estado de los boleanos, entra en una estructura While Loop, donde se encuentra el subvi AI Simple channels. A la matriz de salida de este subvi se le anexa una fila nueva, con los números de canal (todos los canales), que son producidos por una estructura For Loop, creando de este modo una matriz de 2x16. Seguidamente se le anexionan otras dos nuevas filas, que provienen de los datos introducidos por el usuario. Son las pendientes y las constantes de las rectas de calibración de los sensores. Ya se ha formado una matriz de 4x16 en la que los datos están ordenados de la siguiente manera: Número del sensor Valor en voltios del sensor Pendiente de la recta de calibración Constante de la recta de calibración Todos estos datos se introducen en la estructura Sequence. Dentro de la Sequence, de distinguen cuatro etapas: 1º etapa: Se forma una matriz de boleanos, en función de la selección realizada por el usuario en el panel frontal, asignando Verdadero a los sensores con los que se quiere medir y un False a los restantes. Esta matriz es exportada a la siguiente etapa de la secuencia (figura 5)

27 2º etapa: Se procesan los datos y se aplican las rectas de calibrado de la siguiente manera: Dentro de la estructura Sequence, y de la instrucción For Loop que realiza las siguientes operaciones: 1) Array Subset; selecciona de la matriz 4x16 los datos de voltaje, pendiente y constante de cada sensor que pasan a otra función llamada Case. 2) En función de la matriz de boleanos ( Verdadero, sensor a visualizar y Falso, en caso contrario) aplica o no los factores de calibración para obtener el valor de la medida en las unidades deseadas (figura 6). 3º etapa: Se transpone la matriz con los valores obtenidos en la etapa anterior (figura 7). 4ª etapa: Se acumulan los valores, de forma ordenada, durante el tiempo establecido por el usuario en el panel frontal, (figura 9). Una vez transcurrido ese tiempo, los datos acumulados se introducen en varios subvi, en los que se calcula la media dada por la expresión (figura 13): µ = 1 1 n X i n i= 0-23-

28 donde : X i = valores para hacer la media n= número de repeticiones µ= valor de la media Las medias se agrupan en una matriz para ser mostradas en la gráfica de Valores medios, pero antes de mostrase, un subvi selecciona los datos de los sensores activos mediante los botones boleanos del inicio. Los datos instantáneos pasan directamente a la gráfica Valores instantáneos del panel de control. Otro subvi, transforma los datos resultantes en caracteres, les añade la fecha, hora, minutos y segundos, para lo que utiliza otros subvi específicos, del propio programa. Todos estos datos los guarda ordenadamente en un archivo con formato de Excel. Hay que tener precaución porque el programa por defecto siempre guarda el orden en los sensores, si por ejemplo, se seleccionan los sensores , los guardará en este orden y si en cualquier momento pulsamos otro sensor, por ejemplo el 3, el programa reordenará la salida de datos de la siguiente manera: Paso1: For Loop - 24-

29 Figura 5, Introducción de datos al programa y ordenación. Paso 2: Figura 6, La matriz 4x16, se introduce en la estructura Sequence. A su vez se crea la matriz de boleanos Paso 3: Figura 7, la matriz inicial se desglosa en cuatro submatrices, número de sensor, valor de lectura en voltios, pendiente y constante

30 Paso 4: Figura 8, se aplican las formulas de calibrado, para obtener el valor de la media en las unidades deseadas. Paso 5: Figura 9, se hace la transpuesta de la matriz

31 Paso 6: Figura 10, se preparan los datos para hacer la media. Paso 7: Figura 11, salen los datos de la estructura Sequence, y esperan a que se termine el bucle

32 Paso 8: Figura 12, cuenta el número de muestras. Paso 9: Figura 13, se calcula la media a las matrices de los valores calibrados, los datos se dirigen a la gráfica de Valores medios. Por último se guardan en una hoja de Excel

33 3.1.3 Detalle del funcionamiento de los subvi creados para este programa en concreto: Selección de los sensores a mostrar: Este subvi se ha creado con la intención de elegir los datos de los sensores a medir que se señalaron inicialmente en el panel frontal, discriminando aquellos canales que no han sido seleccionados. Tiene dos entradas de datos, los valores calculados (DBL) y la matriz de boleanos (TF). La constante azul introduce una posición vacía. El funcionamiento es el siguiente: Cuando entra un paquete de datos se desglosa en valores simples. Al llegar a la estructura Case, el primer valor que actúa es el boleano, el cual indica que posición debe elegir, si es True, el sensor seleccionado se muestra en la gráfica Valores medios y se guarda en Excel. Si es False, en vez del valor, pasa un lugar vacío y se descarta para el paso siguiente. Caso False: Figura 13, Estructura Case dentro de una estructura For Loop, utilizada para repetir el ciclo tantas veces como datos de entrada tenga

34 Caso True: Figura 14, forma una matriz con los valores seleccionados. Transformación de datos numéricos a cadenas de caracteres. Ordenación y agregado de datos: Previo a la escritura de los datos en un fichero, con estructura de hoja de Excel, deben ser convertidos en cadenas de caracteres y además agregar a cada paquete de datos la fecha y hora de la lectura. Esto se consigue mediante una estructura Case con 17 casos posibles (16 sensores y el 0, cuando no hay ninguno activado). El número del caso es seccionado por la función Array Size, la cual da como salida el tamaño de la matriz de entrada. El tamaño de la matriz depende del número de sensores activados. A continuación se muestran tres casos posibles de la función Case. Ejemplos: En el primero muestra cuando no hay sensores activados.(figura 15). En el segundo muestra cuando hay un sensor activado. (Figura 16). En el tercero tenemos 7 de los 16 sensores activados. (Figura 17)

35 Caso 0: Figura 15, en el caso 0 no se registra ningún valor. Caso1: Figura 16, caso 1, registra fecha, hora y sólo un sensor - 31-

36 datos caracteres Caso 7: Figura 17, caso 7, registra fecha, hora y 7 sensores. 3.2 Calibración de los sensores Una vez desarrollada la aplicación, deberemos calibrar los sensores para poder transformar las medidas en voltios, leídas por la tarjeta, en unidades coherentes e inteligibles (m.c.a., l/s, etc.). Para calibrar los sensores de presión se utilizaron manómetros de precisión tipo bourdon, de diferentes rangos de medida instalados junto a los sensores a calibrar. Con la aplicación en funcionamiento, se tomaron los valores proporcionados por la salida del ordenador (voltios, sin aplicar ningún tipo de transformación), junto con los valores visualizados en los manómetros. Las figuras 21, 22,23 y 24 muestran las rectas de calibrado de cuatro de los sensores de presión. Como puede observarse en ellas, el ajuste a la ecuación de una recta es muy bueno (R> 0,997). Los valores de pendiente y constante obtenidos en la calibración de cada sensor, son los datos que se introdujeron en el panel de frontal y serán utilizados por el programa para expresar las medidas tomadas por cada sensor en las unidades deseadas (m.c.a. en el caso de los sensores de presión), a partir de las diferencias de potencial leídas por la tarjeta

37 La figura 18, muestra un sensor instalado junto al manómetro utilizado para su calibración. Un cable de dos hilos apantallado lleva la señal a la tarjeta. Figura 18, sensor de presión junto al manómetro tipo bourdon utilizado para su calibración El sensor mostrado en la fotografía, ha sido calibrado para mediciones de 0 a 10 bar, con una señal analógica de 4-20 ma. La figura 19, muestra la regleta donde se conectan los sensores que a su vez, se conecta directamente con la tarjeta del ordenador, mediante un cable especial situado en la parte superior de la foto. Figura 19, regleta de conexionado de los sensores. También se observa la instalación de las resistencias, para la transformación de intensidad en voltaje

38 En la figura 20 se observa la tarjeta de adquisición de datos, conectada en la ranura correspondiente de la placa base del ordenador. Tarjeta de Adquisición de datos, Lugar de conexionado Figura 20, tarjeta de adquisición de datos conectada en una ranura PCI. 100 Presión (m) y = 20,97x - 40,54 R 2 = 0, Voltios Figura 21, sensor de presión N 1 de 10 bar - 34-

39 100 Presión (m) y = 12,60x - 23,88 R 2 = 0, Voltios Figura 22, sensor N2 de 10 bar Presión (m) y = 7,99x - 16,05 R 2 = 0, Voltios Figura 23, sensor de presión N-1 de 6 bar

40 80 y = 8,08x - 15,91 R 2 = 0,9987 Presión (m) Voltios Figura 24, sensor N-2 de 0-6 bar La figura 26 y 27 muestra la calibración de los caudalímetros electromagnéticos. Se observa también en este caso, que el ajuste de los valores a la ecuación de una recta es muy bueno en ambos casos R 2 = 1. Igual que en el caso de los sensores de presión, la pendiente y la constante obtenidos, se introducen antes de ejecutar la aplicación en el panel frontal, y serán utilizados por la misma para transformar los voltios medidos por la tarjeta en caudal (l/s)

41 Caudal (l/s) y = 3,89x - 3,90 R 2 = Voltios Figura 25, caudalímetro electromagnético. N-1 Caudal (l/s) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 y = 2,48x - 2,47 R 2 = 1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Voltios Figura 26, caudalímetro electromagnético N-2-37-

42 Los datos representados son medias de los valores adquiridos durante 10 segundos,(1000 valores) por cada incremento o decremento de presión y caudal. 4 APLICACIÓN El programa básicamente, mediante sensores externos, adquiere automáticamente valores, los transforma a las unidades deseadas, calculando las medias y guardándolas. Prácticamente todos los sensores proporcionan señales que pueden ser medidas directamente o bien transformadas fácilmente en señales medibles por la tarjeta, lo que permite automatizar la adquisición de datos de gran cantidad de variables. Las próximas versiones estarán enfocadas al control total del laboratorio, mediante el uso de autómatas y diversos mecanismos de automatización. Como ejemplo de aplicación, en el laboratorio de hidráulica, se llevó a cabo el tarado de diferentes válvulas, con placas orificio. 4.1 Utilización del programa El programa se ha utilizado para la toma de los datos en un proyecto de investigación sobre el Tarado de válvulas con placas orificio. Se utilizaron las mismas instalaciones y los mismos elementos que para la elaboración del programa Labview. Concretamente, se utilizaron dos sensores de presión de 0-10 bar y otro de 0-6 bar y los dos caudalímetros electromagnéticos. Los resultados obtenidos de pérdidas de carga en algunas de las placas orificio frente al caudal permiten obtener las siguientes ecuaciones de ajuste: - 38-

43 Ecuación de pérdidas de carga: H = 242,85 Q 2,9651 H = pérdidas de carga (m.c.a.) Q = caudal en l/s R 2 = Pérdidas de carga (m.c.a.) ,5 0,52 0,54 0,56 0,58 0,6 0,62 0,64 0,66 Caudal (l/s) Figura 27, Pérdidas de carga en una placa orificio 5mm. Válvula ¾ Ecuación de pérdidas de carga: H = 17,968 Q 2,1507 H = pérdidas de carga (m.c.a.) Q = caudal en l/s R 2 = Pérdidas de carga (m.c.a.) ,5 1 1,5 2 Caudal (l/s) Figura 28, Pérdidas de carga en una placa orificio 9mm. Válvula 1 ½ - 39-

44 Ecuación de pérdidas de carga: H = 0,5145 Q 1,7851 H = pérdidas de carga (m.c.a.) Q = caudal en l/s R 2 = Pérdidas de carga (m.c.a.) Caudal (l/s) Figura 29, Pérdidas de carga en una placa orificio 30mm. Válvula 3 Como puede apreciarse en las figuras, los valores obtenidos se adecuan extraordinariamente bien a las gráficas. En este trabajo se concluyó que los valores obtenidos mediante el programa, se adaptan a los valores de la realidad y permiten interpretar fácilmente la evolución del comportamiento de las válvulas con la variación del caudal. Todo esto al estar informatizado, evita los errores humanos. Además, sería imposible la toma de datos de tantos factores a la vez y tanta cantidad en un tiempo tan reducido. El tiempo de toma de datos para este proyecto se ha reducido enormemente, además de que los valores obtenidos son medias de tantos valores como se desee, mejorando la precisión y el rigor del trabajo

45 5 CONCLUSIONES La aplicación de la herramienta desarrollada, en los ensayos realizados en el laboratorio de hidráulica del departamento de Ingeniería Rural, redujo tiempo en el ensayo, mejoró la precisión y el rigor en el trabajo y demostró que es fácilmente adaptable a cualquier instalación, lo que proporciona una gran versatilidad. Además, supone una gran mejora de los métodos de adquisición de datos hasta ahora disponibles ya que permite: Tomar gran cantidad de datos a una enorme velocidad ( muestras por segundo), lo que posibilita visualizar fenómenos transitorios rápidos con gran precisión. Utilizar la lectura de cualquier tipo de sensor, ya que es totalmente configurable. Mostrar la medida de cualquier parámetro para el que exista sensor, en las unidades deseadas, con la sola introducción en el panel frontal de sus valores de pendiente y constante de calibración. Medir hasta con 16 sensores al mismo tiempo, lo que permite correlacionar las diferentes medidas entre si, así como relacionarlas directamente con otros factores, de forma fácil y fiable. Tomar datos de forma cómoda, automática, precisa y sin intervención del factor humano, lo que proporciona independencia, ausencia de error humano en los resultados de los ensayos, y la imposibilidad de manipulación de estos. Por tanto, los ensayos serán rápidos, repetibles, fiables e independientes. En Valencia a 29 de noviembre de 2002 David de la Torre Rausell Ingeniero Técnico Agrícola en Mecanización Construcciones Rurales - 41-

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