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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.



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



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]



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



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



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


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.



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.



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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