UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA INFORME DE INVESTIGACIÓN Construcción de un instrumento virtual para medir la dirección del viento, utilizando LabVIEW 8.0 y como sensores una veleta mecánica y un potenciómetro de precisión. Lic. PEDRO PAREDES GONZALES Mg. JOSÉ CASTILLO VENTURA Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY NUEVO CHIMBOTE SEPTIEMBRE - 2012
INFORME DE INVESTIGACIÓN Construcción de un instrumento virtual para medir la dirección del viento, utilizando LabVIEW 8.0 y como sensores una veleta mecánica y un potenciómetro de precisión.
REALIDAD PROBLEMATICA Debido a la falta de atención a ciertos laboratorios en nuestra universidad y ante la necesidad de trabajar en los laboratorios con los estudiantes, especialmente en el laboratorio de instrumentación, se ha tomado el reto de investigar en la instrumentación virtual y a la vez entrar a competir en ciencia y tecnología en este mundo globalizado, con la finalidad de crear prototipos para medir en tiempo real variables físicas de interés, para así consolidar la formación de los estudiantes. En tal sentido una de las variables de interés es medir la dirección de la fuerza del viento, es por esta razón que debemos investigar utilizando la instrumentación virtual como medio para desarrollar el presente trabajo de investigación que tiene como propósito construir un instrumento virtual para medir la dirección del viento, pero con la capacidad de adquirir, analizar, procesar y presentar la información en forma automática, utilizando para ello una veleta mecánica y un resistor variable como elementos sensores, un puente de deflexión resistivo como elemento acondicionador de señales, una tarjeta de adquisición de datos y un lenguaje de programación gráfica.
Problema Es posible la construcción de un instrumento virtual para medir la dirección del viento, utilizando como sensores una veleta mecánica y un potenciómetro de precisión, y LabVIEW 8.0? Hipótesis. Utilizando como sensores una veleta mecánica y un potenciómetro de precisión, y LabVIEW 8.0 se puede construir un instrumento virtual para medir la dirección del viento.
OBJETIVOS a) OBJETIVO GENERAL Diseñar, Construir y evaluar un instrumento virtual para medir la dirección del viento utilizando como sensores una veleta mecánica y un potenciómetro de precisión, y LabVIEW 8.0. b) OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Construir una veleta con una señal de salida eléctrica analógica, utilizando para ella un acondicionador de señales. Hacer el panel frontal del instrumento virtual para medir la dirección del viento utilizando LabVIEW 8.0. Hacer el diagrama de bloque del instrumento virtual para medir la dirección del viento utilizando LabVIEW 8.0. Utilizar una tarjeta de adquisición de datos para la toma, análisis y procesamiento de información de presión manométrica. Elaborar una guía de práctica para la elaboración de un instrumento virtual para medir la dirección del viento.
MARCO TEORICO VELETA: Una veleta es un dispositivo giratorio que consta de una placa plana vertical que gira libremente, un señalador que indica la dirección del viento y una cruz horizontal que indica los puntos cardinales (Rosa de los vientos). Se ubica generalmente en lugares elevados y su diseño puede ser muy variado (figuras de animales, antropomorfas, etc.). Figura Nº9: veleta mecánica construida acoplada a un potenciómetro de precisión
Entrada Salida Valor verdadero de la dirección del viento Elemento sensor Elemento acondicionador de señales Elemento presentador de datos Valor medido de la dirección del viento Figura No. 2: Estructura general del sistema de medición de la dirección del viento
Cómo construir un instrumento virtual? Para construir un instrumento virtual, sólo requerimos de un PC, una tarjeta de adquisición de datos con acondicionamiento de señales, el elemento sensor y el software apropiado.
Qué es LabVIEW? LabVIEW de National Instrument, es una herramienta de programación gráfica, altamente productiva, para la construcción de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control. LabVIEW nos da la capacidad de crear rápidamente una interfaz de usuario que nos proporciona la interactividad con el sistema.
ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES Los sistemas de adquisición de datos (DAQ) basados en PC son usados en un amplio rango de aplicaciones en los laboratorios, en el campo y en el piso de una planta de manufactura. Típicamente, los dispositivos DAQ son instrumentos de propósito general diseñados para medir señales de voltaje. El problema es que la mayoría de los sensores y transductores generan señales que debe acondicionar antes de que un dispositivo DAQ pueda adquirir con precisión la señal.
Figura Nº 4: El acondicionamiento de señales es un componente importante en un sistema de adquisición de datos
SOBRE EL DISEÑO DE LA PARTE ANALÓGICA DEL INSTRUMENTO VIRTUAL Como acondicionador de señales se usa un puente de deflexión resistivo. A R 1 R 2 V S + D E Th B - R 4 R 3 C Figura No. 7: Circuito del sistema analógico para medir la dirección del viento
MATERIAL Y METODOS CALIBRACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICION PARA MEDIR LA DIRECCIÓN DEL VIENTO Equipos y materiales Una veleta mecánica como sensor primario.. Un potenciómetro de precisión usado como resistor variable 5 KΩ como sensor secundario. Un multimetro digital. Un papel circular graduado para lecturas 0º a 360º. Un resistor de 1000 Ω. Una fuente de Voltaje continúo de 0 30 V. Dos resistores variables de 50 KΩ Cables conectores eléctricos.
Figura Nº 17: Veleta mecánica acoplado al potenciómetro de precisión utilizado como elemento sensor en el instrumento virtual para medir la dirección del viento.
PROCEDIMIENTO Armar el equipo experimental como se muestra en la figura No. 18, donde en R 1, se ubica el sensor secundario (potenciómetro de precisión usado como resistor variable) en el cual está conectado la veleta mecánica (sensor primario), en R 2 se ubica el resistor de 1 KΩ, R 3 es la resistencia que se fija a 49.4 KΩ, y R 4 la resistencia variable de 50 KΩ. Seleccionar en el multimetro digital, el voltímetro con el rango apropiado y ubicarlo en los puntos B y D. Encender la fuente de alimentación de voltaje continua (15 V). Si el voltímetro no esta registrando una lectura cero, hacer el ajuste a cero manipulando la resistencia R 4. Una vez lograda la lectura cero en el voltímetro, tomar mediciones de diferencia de potencial en la salida del puente para diferentes valores de ángulos de giro, los cuales se obtienen haciendo girar la veleta y esta al mismo tiempo hace girar al potenciómetro de precisión, leyendo el ángulo en el papel circular. Con los datos obtenidos, graficar la diferencia de potencial (V) versus los ángulos de giro (θ) y hallar la ecuación de calibración.
A R 1 R 2 =1KΩ V S =15V D V B R 4 R 3 =49.4KΩ C (a) (b) Figura Nº 18: (a) Circuito del equipo experimental. (b) Montaje del equipo experimental para la calibración del sistema de medición para medir la dirección del viento.
CALIBRACIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL PARA LA MEDICIÓN DE LA DIRECCIÓN DEL VIENTO Equipos y materiales Una computadora con su impresora. Un software de programación gráfica LabVIEW 8.0 Una veleta mecánica con la rosa de los vientos como sensor primario. Un potenciómetro de precisión usado como resistor variable de 5 KΩ como sensor secundario. Un elemento acondicionador de señales (puente resistivo de deflexión). Una tarjeta de adquisición de datos USB 6008 Una fuente de voltaje continúo de 0 a 30 V. Una brújula. Cables conectores.
PROCEDIMIENTO Utilice la figura Nº 18 para hacer el montaje del equipo experimental del instrumento virtual (hardware), previamente sacando el voltímetro de los puntos D B, para luego colocar la tarjeta de adquisición de datos mostrado en la figura Nº 19 quedando el equipo experimental tal como se muestra en la figura Nº 20. Construir el instrumento virtual para medir la dirección del viento, utilizando el lenguaje de programación gráfica LabVIEW 8.0, use el DAQ Assistant Express VI, para la configuración de la tarjeta. Figura Nº 19: Tarjeta de adquisición de datos USB - 6008
(a) (b) Figura Nº 20: (a) y (b) es el equipo experimental para la construcción del instrumento virtual para medir la dirección del viento.
RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN DE LA ETAPA SENSORA DEL SISTEMA DE MEDICIÓN TABLA Nº 1: Mediciones ángulos de giro (θ) y resistencia (R) de la etapa sensora del sistema para medir dirección del viento. N Θ ( º) R (Ω) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1000 10 1059,3 20 1109,3 30 1165,6 40 1224 50 1283 60 1337 70 1393 80 1446 90 1512 100 1565 110 1618 120 1677 130 1731 140 1793
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 150 1852 160 1909 170 1958 180 2009 190 2068 200 2130 210 2171 220 2227 230 2292 240 2361 250 2417 260 2474 270 2526 280 2589 290 2648 300 2699 310 2751 320 2802 330 2864 340 2927 350 2979 360 3035
DE LA CALIBRACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN PARA MEDIR LA DIRECCIÓN DEL VIENTO CON SALIDA ANALÓGICA TABLA Nº 2: Mediciones de ángulos (θ) y diferencia de potencial (V) para la calibración del sistema medición para medir la dirección del viento con salida analógica. N Θ ( º) V (V) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 0 10 0,194 20 0,357 30 0,523 40 0,693 50 0,872 60 1,043 70 1,196 80 1,351 90 1,506 100 1,638 110 1,765 120 1,879 130 2,01 140 2,11
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 150 2,23 160 2,33 170 2,43 180 2,52 190 2,62 200 2,71 210 2,79 220 2,86 230 2,94 240 3,03 250 3,1 260 3,17 270 3,23 280 3,3 290 3,38 300 3,44 310 3,5 320 3,56 330 3,62 340 3,68 350 3,74 360 3,79
DE LA CALIBRACIÓN DEL PUENTE DE DEFLEXIÓN RESISTIVO TABLA Nº 3: Mediciones de la resistencia de entrada al puente (R) y diferencia de potencial en la salida del puente (V) N R (Ω) V (V) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1000 0 1059,3 0,194 1109,3 0,357 1165,6 0,523 1224 0,693 1283 0,872 1337 1,043 1393 1,196 1446 1,351 1512 1,506 1565 1,638 1618 1,765 1677 1,879 1731 2,01 1793 2,11
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 1852 2,23 1909 2,33 1958 2,43 2009 2,52 2068 2,62 2130 2,71 2171 2,79 2227 2,86 2292 2,94 2361 3,03 2417 3,1 2474 3,17 2526 3,23 2589 3,3 2648 3,38 2699 3,44 2751 3,5 2802 3,56 2864 3,62 2927 3,68 2979 3,74 3035 3,79
DE LA CALIBRACIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL PARA LA MEDICIÓN DE LA DIRECCIÓN DEL VIENTO TABLA Nº 4 : Mediciones de diferencia de potencial (V) y ángulos (θ) para la calibración del instrumento virtual para medir la dirección del viento. N V (V) Θ (º) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15-0,00199777 0 0,158073 10 0,381368 20 0,492943 30 0,703336 40 0,87811 50 1,02036 60 1,15982 70 1,2834 80 1,41765 90 1,554 100 1,64773 110 1,76952 120 1,84914 130 1,96517 140
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 2,0506 150 2,14192 160 2,23446 170 2,33477 180 2,39238 190 2,4559 200 2,53961 210 2,64154 220 2,72671 230 2,7727 240 2,86142 250 2,92173 260 2,95888 270 3,05048 280 3,10865 290 3,185 300 3,19892 310 3,2696 320 3,30432 330 3,36709 340 3,44721 350 3,47965 360
GUÍA PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL PARA ADQUIRIR, ANALIZAR Y PRESENTAR DIRECCIONES DEL VIENTO A R 2 =1KΩ R 1 B V S =15V D V R 4 =49.3 kω R 3 =49.4KΩ C Figura Nº25: Diseño del circuito del instrumento virtual para medir la dirección del viento.
DE LA CONSTRUCCIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL PARA ADQUIRIR, ANALIZAR Y PRESENTAR DATOS DE LA DIRECCIÓN DEL VIENTO USANDO COMO SENSORES LA VELETA Y EL POTENCIOMETRO 3 2 θ = 3.299V + 3.114 V + 52.12V + 0.715 LL ( 1) Figura Nº 27: Diagrama de bloques del instrumento virtual para la toma de datos de dirección del viento.
Figura Nº 28: Panel frontal del instrumento virtual para la toma de datos de dirección del viento.
Ejecutando el programa: Figura Nº 29: Instrumento virtual registrando datos de dirección del viento para un tiempo aproximado de 30 minutos.
Figura Nº 30: Instrumento virtual registrando datos cerca de 1 hora.
Figura Nº 31: Instrumento virtual registrando datos por un tiempo de más de 2 horas.
Figura Nº 32: Instrumento virtual registrando datos cerca de 3.5 horas.
Figura Nº 33: Instrumento virtual registrando datos para un tiempo de 4 horas.
CONCLUSIONES Luego de evaluar nuestro instrumento virtual para medir la dirección del viento se concluye: La parte de la señal analógica del instrumento virtual esta conformada por una veleta mecánica acoplada a un potenciómetro de precisión utilizado como resistor variable que viene ser la etapa sensora y la cual esta unida a un puente de deflexión resistivo que es el acondicionador de señales. El sistema analógico del instrumento virtual en su conjunto no es lineal. El instrumento virtual para la medición de la dirección del viento tiene como elementos sensores una veleta mecánica (sensor primario) y un potenciómetro de precisión (sensor secundario), como acondicionador de señales tiene un puente de deflexión resistivo, una tarjeta de adquisición USB 6008 y una microcomputadora como elementos procesadores de señales y como presentador de datos un monitor de PC, todo esto constituye el hardware del instrumento virtual, el software lo constituye el programa construido con el lenguaje de programación grafica LabVIEW 8.0 (panel frontal y diagrama de bloques).
No todos los elementos que constituyen el hardware del instrumento virtual para medir la dirección del viento tienen respuestas lineales con respecto a su variable de entrada, solamente la etapa sensora es lineal. El instrumento virtual construido se ha calibrado para medir direcciones del viento desde 0º hasta 360º. El diseño y construcción del hardware del instrumento virtual para medir direcciones del viento, obedece al circuito de la figura Nº 25 y cuyo montaje experimental se representa en la figura Nº 20 (a) y (b). Se elaboró una guía usando la programación grafica LabVIEW 8.0, para la construcción del instrumento virtual para medir la dirección del viento, la cual permite obtener el diagrama de bloques y el panel frontal del instrumento virtual, tal como se muestra en las figuras Nº 27 y Nº 28 respectivamente. Se calibró el instrumento virtual para medir direcciones del viento utilizando como patrón de laboratorio un papel circular de 0º a 360º con una incertidumbre experimental de ± 1º.
RECOMENDACIONES Para la calibración del instrumento virtual construido en el laboratorio, se tiene que tener en cuenta que los cables que conectan la etapa sensora al puente de deflexión resistivo debe tener la longitud necesaria de trabajo en donde se va ubicar la veleta. El potenciómetro de precisión usado gira 5 vueltas, en este trabajo de investigación solamente se ha usado la primera vuelta, colocándole un tope al termino de la primera vuelta, se sugiere ubicar el 0º a 2.5 vueltas y elaborar un programa en LabVIEW tal que al girar a la izquierda o la derecha del 0º una o más vueltas el instrumento virtual siempre señale la misma dirección en cada vuelta.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bentley B, John Sistemas de medición. Principios y aplicaciones. Compañía Editorial Continental, S.A. México 1993 Bolton W. Mediciones y Pruebas Eléctricas y Electrónicas. Edición 1996. Alfaomega Grupo Editor, S. A. Cooper, William D Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas de Medición. Prentice Hall. México 1994. Creus S, Antonio Instrumentación industrial. Editorial Marcombo, España. 1985. Lajara J., y Pelegri J. LabVIEW 8.20 Entorno gráfico de programación. Edición 2007. Alfaomega Grupo Editor, S. A. Lazaro Antonio M. Instrumentacion Virtual, Adquisición, procesado y análisis de señales. Edición 2002. Ediciones UPC S. L. Universidad Politécnica de Catalunya, Barcelona, España. National Iinstruments Getting Started with LabVIEW. Evaluation Version 8.0. April 2006 Edition. Soisson, Harold Instrumentación industrial. Editorial LIMUSA, México 1992. Página Web www.ni.com/latam Página Web www.ni.com Página Web www.ni.com/tutorials.