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CONTENIDO

Resumen .............................................................................................................. VI

Presentacin ....................................................................................................... VII

1 Descripcin de las Balanzas y sus Sensores de Peso .............................. 1

1.1 El Peso...................................................................................................... 1

1.2 La Balanza ................................................................................................ 2

1.2.1 Definicin .......................................................................................... 2

1.2.2 Tipos de Balanzas ............................................................................. 21.2.3 Balanzas Mecnicas ......................................................................... 3

1.2.4 La Balanza Electrnica ...................................................................... 6

1.2.5 Elementos de una Balanza Electrnica ............................................. 9

1.2.6 Criterios de Seleccin para una Balanza ........................................ 10

1.3 Sensores de Peso ................................................................................... 11

1.3.1 Sensores por Desplazamiento ........................................................ 11

1.3.2 Sensor Electromagntico ................................................................ 12

1.3.3 Sensor de Frecuencia de Resonancia ............................................ 13

1.3.4 Celdas de Carga Hidralicas ........................................................... 14

1.3.5 Celdas de Carga Neumticas.......................................................... 15

1.3.6 Las Galgas Extensiomtricas .......................................................... 15

1.3.6.1 Principio de Funcionamiento .............................................. 16

1.3.6.2 Clasificacin ....................................................................... 19

1.3.6.3 Formas Constructivas ........................................................ 22

1.3.6.4 Instalacin de la Galga Extensiomtrica ............................ 22

1.3.6.5 Circuitos de Medida ........................................................... 24

1.3.6.6 Celdas de Carga ................................................................ 28

1.4 Equipo Propuesto ................................................................................... 32

2 Diseo del Hardware ................................................................................... 33

2.1 Celda de Carga Utilizada ........................................................................ 36

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2.2 Circuito Acondicionador de Seal ........................................................... 40

2.2.1 Amplificador de Instrumentacin ..................................................... 40

2.2.2 Amplificacin de la Seal ................................................................ 45

2.2.3 Filtrado de la Seal ......................................................................... 46

2.2.4 Curva de Funcionamiento ............................................................... 51

2.3 Microcontrolador Atmega16 .................................................................... 52

2.4 Conversor Anlogo Digital ...................................................................... 59

2.5 Teclado Matricial ..................................................................................... 62

2.6 Mdulo LCD ............................................................................................ 64

2.7 Memorial Serial ....................................................................................... 66

2.8 Comunicacin Serial ............................................................................... 69

2.8.1 Puerto Serial del Computador ......................................................... 692.8.2 Dispositivo de Comunicacin del Microcontrolador ......................... 71

2.8.3 Conversor TTL a RS-232 ................................................................ 73

2.9 Fuentes de Alimentacin......................................................................... 75

2.9.1 Cargador de la Batera .................................................................... 76

2.9.2 Fuente de Voltaje Positiva ............................................................... 78

2.9.3 Fuente de Voltaje Negativa ............................................................. 79

2.10 Circuito Completo ................................................................................... 80

3 Diseo del Software .................................................................................... 83

3.1 Programa del Microcontrolador ............................................................... 84

3.1.1 Configuracin del Microcontrolador ................................................. 88

3.1.1.1 Configuracin del Conversor Anlogo Digital .................... 90

3.1.1.2 Configuracin del Reloj en Tiempo Real ............................ 93

3.1.1.3 Configuracin de la Comunicacin RS-232 ....................... 95

3.1.1.4 Configuracin de la Comunicacin I2C .............................. 96

3.1.1.5 Configuracin del Lcd. ....................................................... 97

3.1.2 Subrutina Teclado ........................................................................... 99

3.1.3 Subrutina Pesar ..............................................................................103

3.1.4 Subrutina Ingresar Fecha y Hora ...................................................107

3.1.5 Subrutina Adquirir Base de Datos ..................................................111

3.1.5.1 Subrutina de Escritura en la EEPROM Externa ................113


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3.1.6 Subrutina Presentacin de la Base de Datos .................................115

3.1.6.1 Subrutina de Lectura de la EEPROM Externa ..................116

3.1.7 Subrutina Consultar Cdigo ...........................................................117

3.1.8 Subrutina Mostrar Balanza .............................................................119

3.1.9 Pantallas del LCD ...........................................................................121

3.2 Interfaz Grfica en el Computador .........................................................123

3.2.1 Control Mscomm ............................................................................126

3.2.2 Control Timer..................................................................................126

3.2.3 Control Recordset ..........................................................................126

3.2.4 Formulario Principal .......................................................................1273.2.5 Formulario Facturacin ..................................................................128

3.2.6 Formulario Inventario .....................................................................131

3.2.7 Formulario Configuracin ...............................................................133

4 Pruebas y Resultados ................................................................................135

4.1 Prueba de Funcionamiento de la Celda de Carga .................................135

4.2 Prueba del Reloj en Tiempo Real ..........................................................138

4.3 Prueba de Comunicacin Serial .............................................................140

4.4 Prueba de la Memoria Serial..................................................................143

4.5 Prueba de la Batera ..............................................................................144

5 Conclusiones y Recomendaciones ..........................................................145

5.1 Conclusiones .........................................................................................145

5.2 Recomendaciones .................................................................................147

6 Bibliografa .................................................................................................149

Anexos: Hojas de Datos


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RESUMEN

Este proyecto aborda la construccin y diseo de una balanza electrnica

dedicada a la venta de productos al peso, para lo que cuenta con funciones como

mostrar el peso del producto, el precio unitario y el precio total del mismo. Se

tiene adems comunicacin serial RS-232 con la computadora, para permitir la

visualizacin de la informacin en la pantalla.

En el captulo 1 de este documento se presentan algunas nociones bsicas sobre

las balanzas, y los sensores de peso, como la celda de carga de galgas

extensiomtricas.

En el captulo 2 se describe el diseo del hardware, empezando por el circuito de

acondicionamiento y filtrado de la seal de la celda de carga para pasar al circuito

del microcontrolador y los perifricos que maneja.

El diseo del software se detalla en el captulo 3. Se utiliz lenguaje de

programacin Basic tanto para el microcontrolador, como para realizar la interfaz

visual del computador. Los programas se desarrollaron en BASCOM AVR de la

ATMEL y en Visual Basic 6.0 respectivamente.

Las pruebas realizadas en la balanza y en sus componentes constan en el

captulo 4, as como los resultados que comprueban su correcto funcionamiento.

En el captulo 5 se encuentran las conclusiones y recomendaciones a la que se

llegaron luego del desarrollo del presente proyecto. Finalmente se incluye las

referencias bibliogrficas utilizadas y en los anexos, las hojas de datos de los

componentes de hardware.


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PRESENTACIN

Probablemente del hbito del ser humano de sostener con las manos dos objetos

para comparar su peso, se tom la idea para construir las primeras balanzas, que

consistan en una palanca apoyada en su centro, con dos brazos iguales, de los

cuales colgaban platos para colocar los pesos a medir. De ah viene la palabra

balanza, cuya raz est en el latn bisplax, bis que significa dos y plax, plato, su

traduccin sera doble plato.

La balanza ha sido un elemento utilizado desde tiempos antiguos, y su primer usofue en el comercio. En las primeras transacciones comerciales se pagaba las

mercaderas segn su peso en monedas de bronce, oro o plata. En lenguas

semticas pesar y pagar eran palabras sinnimas.

Desde entonces las balanzas han evolucionado desde sencillos artefactos

mecnicos hasta las actuales balanzas electrnicas, diseadas para brindar un

sinnmero de facilidades al usuario segn su necesidad. Es as el caso de este

proyecto, el de las balanzas electrnicas para venta de productos al peso.

Aunque todava se utilizan balanzas mecnicas en los pequeos comercios, en

los grandes, el uso de balanzas electrnicas es ms comn, ya que permiten

agilitar el proceso de venta y el volumen de las transacciones justifica el costo del

aparato.

A pesar de su demanda en el mercado nacional, este tipo de balanzas no se

producen ni se ensamblan, agregando a su costo el de la importacin. Por esta

razn, en el presente proyecto, se pretende demostrar que con tecnologa

conocida y elementos que se pueden adquirir fcilmente, es posible implementar

una balanza electrnica con funciones que se ajusten a las necesidades de la

aplicacin y a un menor valor que las importadas.


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1 DESCRIPCIN DE LAS BALANZAS Y SUS SENSORESDE PESO

1.1 EL PESO

Aunque comnmente se utiliza la palabra peso para referirse a la masa, lo cierto

es que ste es la fuerza con la que los cuerpos son atrados por la tierra y se

relaciona con la masa mediante la constante de gravedad:

gmP =(1.1)

Donde:

P = peso

m = masa

g = aceleracin de la gravedad

La ecuacin (1.1) demuestra la proporcionalidad del peso con respecto a la masa,

razn por la cual es usado para su medicin. Todos los sensores de peso son

entonces medidores de la fuerza que una masa ejerce sobre ellos gracias a la

gravedad. Si bien la gravedad no es igual en todos los lugares de la tierra, los

sistemas de medicin logran compensar esta diferencia con diferentes

mecanismos.

Las unidades de medicin de la masa ms usadas son gramos y kilogramos en el

sistema internacional y para el sistema ingls onzas y libras. Para cantidades ms

grandes una unidad bastante comn es la tonelada.


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1.2 LA BALANZA

1.2.1 DEFINICIN

La balanza o bscula es un instrumento utilizado para conocer la masa de un

cuerpo, a travs de la medicin de la fuerza de gravedad que la tierra ejerce sobre

ste, es decir el peso. Realiza la medicin basndose en las leyes de la mecnica

y funciona equilibrando dos fuerzas que pueden ser de diferente naturaleza, pero

al menos una de stas es el peso.

No existe diferencia entre los trminos balanza y bscula, sin embargo se tiende a

usar la expresin bscula para designar a una balanza de mayor capacidad como

son las balanzas para ganado o camiones.

La balanza es uno de los instrumentos de medida ms antiguos que se conoce, y

el hombre la ha utilizado desde hace aproximadamente 7 mil aos. Actualmente

hay diversos tipos de balanzas, utilizadas para el pesado de numerosos

materiales, desde muestras qumicas y biolgicas hasta grandes vehculos.

1.2.2 TIPOS DE BALANZAS

Las balanzas pueden clasificarse segn su tipo de funcionamiento en: mecnicas

y electrnicas. A pesar de que las balanzas electrnicas son el ltimo invento, las

mecnicas no han desaparecido del mercado, por el contrario, han sido

perfeccionadas.

En el mercado se pueden encontrar balanzas mecnicas o electrnicas para la

misma aplicacin, el hecho de que se opte por una de las dos no siempre

depende de la precisin sino ms bien de su costo.


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1.2.3 BALANZAS MECNICAS

Las balanzas mecnicas fueron uno de los primeros instrumentos de medida en

aparecer y basan su funcionamiento en la relacin de palancas o en fuerzas

elsticas.

Una de sus ventajas es el costo, generalmente inferior a su equivalente en

electrnica, sin que por esto deje de ser igual de precisa, pero entre sus

desventajas estn un mayor tamao y peso del equipo. Entre las balanzas

mecnicas ms comunes se tienen:

- Balanza clsica o de dos platillos (tambin conocida como balanza decruz). Est formada por dos platillos colgantes, que penden de un brazo (astil)

sostenido en su punto medio exacto por un eje. El sistema requiere de un

juego de pesas con medidas conocidas que se utilizarn como contrapeso del

objeto a pesar, tendiendo al equilibrio entre los platos a fin de averiguar el

peso correcto. Es un mtodo algo incmodo y que tiende a tener errores

debido a la flotabilidad del aire, razn por la cual ha cado en desuso.

Figura 1.1 Balanza Clsica o de dos Platillos

- Balanza Romana. Posee una desigualdad en los brazos, logrando el equilibrio

mediante un sistema de contrapesos. Este antiguo mtodo ya no se utiliza.


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Figura 1.2 Antigua Balanza Romana

- Balanza Roberval. El astil se apoya, en la balanza de Roberval, sobre un

pequeo puntillo de descanso. Posee dos platillos en cada punta del brazo, y

su funcionamiento en verdad es idntico al de la balanza clsica. Es unmtodo que ha cado en desuso.

Figura 1.3 Balanza de Roverbal

- Balanza Granatoria o de Plato nico. Posee en el travesao un dispositivo y

contrapeso, mvil o fijo, en lugar de uno de los platos. Cuando el contrapeso

es fijo, la otra extremidad del travesao presenta, adems del plato, un

conjunto de pesos mviles. Para obtener una lectura uniforme se debe

equilibrar el peso. Es un mtodo muy utilizado en el laboratorio y en balanzas

de mayores capacidades como las utilizadas en pesaje de personas y ganado.

Figura 1.4 Balanza Monoplano


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Figura 1.5 Bscula para Pesar Personas

Figura 1.6 Bscula para pesar Ganado

- Balanza de Gancho. Cuando el objeto se coloca en el gancho provoca un

estiramiento del resorte que forma parte del mecanismo de la balanza, al

estirar ocasiona el movimiento de la aguja indicadora.

Figura 1.7 Balanza de Gancho

- Balanza Semiautomtica. Acta de manera similar a la anterior pero la

diferencia es que esta balanza tiene un nico platillo donde se coloca el peso,

al ejercer presin sobre ste, la aguja indicadora se mueve.

Figura 1.8 Balanza Semiautomtica


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1.2.4 LA BALANZA ELECTRNICA

Las balanzas electrnicas actuales llegan a ser sofisticados elementos de pesaje

con el software y hardware necesarios para la obtencin y procesamiento de

datos durante la operacin de pesado. Utilizan diferentes mtodos para sensar el

peso, de manera que se obtenga una seal electrnica que pueda ser tratada

para la visualizacin de la medicin.

La balanza electrnica se usa ampliamente, debido a la calidad de resolucin y

visualizacin de valores, superiores a los de la balanza mecnica. Se tiene

adems un sin nmero de prestaciones especficas y capacidad de medicin,

para facilitar el uso en aplicaciones dedicadas.

Entre los tipos de balanzas ms conocidos estn:

- Balanzas para Laboratorio.Generalmente son las que requieren mediciones

mas precisas. Logran medir pesos de sustancias equivalentes a una

millonsima de gramo que es lo mismo que decir una milsima de miligramo, o

sea, 0.000001 gramo. Estos mecanismos requieren ciertas caractersticas

particulares como por ejemplo, estar cerrados en una especie de caja deplstico o vidrio porque el aire ambiental y su movimiento pueden alterar la

lectura deseada. El mecanismo sensor es en la mayora de las veces por

compensacin electromagntica aunque es posible la utilizacin de galgas.

Figura 1.9 Balanza para Laboratorio.

- Balanzas de Sobremesa. Utilizan galgas extensiomtricas. Tienen una

capacidad hasta 60 Kg. Entre las caractersticas que puede tener son el

encerado y la tara.


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Figura 1.10 Balanzas de Sobremesa

- Balanza de Sobresuelo. Como su nombre lo indica estn diseas para

trabajar en el suelo, ya que no resulta prctico ni cmodo elevar los pesos que

manejan hasta el nivel de una mesa. Su aplicacin puede ser en la

preparacin de lotes en el proceso industrial. Usan una o varias celdas de

carga segn la capacidad

Figura 1.11 Balanza de Sobresuelo

- Balanzas para Conteo de Piezas. Es una aplicacin muy til en la industria y

pueden ser parte de la cadena de produccin, razn por la cual requieren de

una alta precisin. Utilizan galgas extensiomtricas como sensor de peso.

Figura 1.12 Balanza Cuenta Piezas


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- Balanza de Gra. Estas balanzas llegan a pesar toneladas por esta razn se

utiliza como una gra.

- Balanza Camionera. Son utilizadas en la industria para el pesaje de camiones

que ingresan con materia prima para la produccin. Suelen disponer de varias

celdas de cargas para el pesaje.

Figura 1.13 Balanza Camionera

Figura 1.14 Balanza de Gra

- Balanzas de Supermercados. Son una de las aplicaciones ms utilizadas

pueden tener funciones como mostrar el peso, impresin de etiquetas y

comunicaciones en red.

Figura 1.15 Balanza para Supermercado


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Casi en su totalidad las balanzas electrnicas utilizan como sensor a la celda de

carga de galgas extensiomtricas en diferentes disposiciones segn las

necesidades de capacidad de la aplicacin.

1.2.5 ELEMENTOS DE UNA BALANZA ELECTRNICA

Sea cual fuere el mecanismo sensor de peso en una balanza electrnica, la

caracterstica bsica es que entrega una seal de voltaje o frecuencia que debe

ser acondicionada y procesada para su posterior visualizacin.

Los elementos de una balanza estarn orientados a soportar el peso para el que

fue diseado el equipo y a proporcionar el rango de medicin requerido en la

aplicacin. Como elementos se tiene:

- Bandeja de Pesaje. Esta tiene un tamao apropiado para el peso a medir, de

manera que ste no sobresalga demasiado de los lmites de la bandeja.

- Sensor de Peso. Apropiado para trabajar en todo el rango de la aplicacin,

generalmente es una celda de carga, pero son posibles tambin los mtodos

pticos, electromagnticos, etc.

- Acondicionador de la seal. Un sensor entrega una seal muy pequea para

ser procesada, por lo que debe llevarse a valores estndar de voltaje (0-5V

generalmente) o tener un rango detectable por un microprocesador.

- Microprocesador. En su mayora las balanzas electrnicas tienen un

microprocesador, que pueden ir de los ms sencillos a los ms complejos

segn la aplicacin.

- Elementos de Visualizacin. Estos pueden ser desde sencillos displays, hasta

pantallas LCD o LCD grficas.

- Otros. Segn las necesidades del usuario las balanzas incorporan elementos

como la impresin de tickets, comunicacin en red entre otros.


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1.2.6 CRITERIOS DE SELECCIN PARA UNA BALANZA

Cada aplicacin tiene sus propias exigencias pero para escoger una balanza

puede seguirse el siguiente criterio:

- Aunque el lmite de peso que soporta es mayor al nominal, y existen

protecciones mecnicas para sobrecargas, no es recomendable exceder el

peso permitido, por lo que el mximo a medir debe estar entre el 50% y 75%

de la capacidad de la balanza a adquirir.

- La resolucin de la medida determina el incremento ms pequeo de carga

que el display numrico puede mostrar.

- El tamao de la superficie de pesaje. Es indispensable saber las dimensiones

mximas del producto a pesar. Sin embargo, a no ser en casos exagerados, el

hecho de que el producto sobresalga de la plataforma no afecta al pesaje,

pero podra dificultar su manipulacin y colocacin.

- Si se requiere una balanza porttil o fija. Se usa una fija cuando se va a

transportar los objetos a pesar hasta ella. De lo contrario, se elige una porttil

especialmente diseada para ser trasladada fcilmente (funciona con batera).

- Otras caractersticas son: acabados especiales como inoxidable, ambientes

especiales donde estara los corrosivos, el trato que se le dar (especialmente

robustas), tipo de producto, humedad, lquidos. Tambin existen modelos de

seguridad intrnseca extrnseca o antideflagrantres.

- Los perifricos especiales que pueden necesitarse: impresoras (tickets),

alarmas, detecciones, dosificacin, comunicacin, etc.

- Debe considerarse la ubicacin que va a tener: Empotradas, sobresuelo,

sobremesa, colgante, con acceso especial, con protecciones para entrada, etc.


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En una balanza electrnica gran parte de estas caractersticas se deben al sensor

de peso utilizado, por lo que este es el elemento principal.

1.3 SENSORES DE PESO

Los sensores de peso son elementos que cambian sus propiedades fsicas o

elctricas a causa de la influencia de la masa de un cuerpo.

Los sensores de peso se clasifican en:

- Sensores por desplazamiento

- Sensores Electromagnticos

- Sensores de Frecuencia de Resonancia

- Celdas de Carga Hidrulicas

- Celdas de Carga Neumticas

- Galgas extensiomtricas

1.3.1 SENSORES POR DESPLAZAMIENTO

Determinan el peso dependiendo del desplazamiento que ste provoca en el

componente receptor, que por lo general es flexible o es parte de un sistema

elstico; recupera su posicin original cuando se retira el peso. Esta categora

incluye a los transductores inductivos, capacitancia cermica y mtodos pticos.

Con transductores inductivos se obtiene una precisin baja, el desplazamiento de

las bobinas o ncleos de ferrita es usado para generar la seal del peso.


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Figura 1.16 Sensor Inductivo

Los transductores capacitivos se caracterizan por su tamao pequeo y una

mediana precisin. El peso produce desplazamiento de una placa mvil, situada

entre dos placas fijas. As se forman dos condensadores, uno de capacitancia

variable y otro de capacitancia fija o de referencia, que pueden compararse en

circuitos oscilantes o puente de Wheatstone para obtener la medicin.

Figura 1.17 Sensor Capacitivo

1.3.2 SENSOR ELECTROMAGNTICO

Con el mtodo de compensacin que consiste en generar un campo magntico a

travs de la corriente en la bobina (servomecanismo), se sostiene el platillo sobre

el que se apoya el peso. Si est vaco, se ajusta la corriente mediante un control

externo para determinar la posicin cero. Al colocarse un objeto, se produce un

movimiento hacia abajo, que aumenta la radiacin luminosa incidente en la


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fotocelda del detector de cero. El aumento de la corriente se amplifica y enva a la

bobina, acrecentando el valor del campo magntico hasta que el platillo vuelve a

su posicin original. La corriente requerida para mantener el platillo con el objeto

en la posicin de cero es proporcional al peso del objeto. Ese valor se transforma

electrnicamente para mostrar digitalmente el valor de la masa.

Figura 1.18 Sistema de Pesaje por Induccin Magntica

1.3.3 SENSOR DE FRECUENCIA DE RESONANCIA

Una cuerda vibratoria tiene una frecuencia de resonancia que depende de su

largo, masa por unidad de longitud y la tensin en sta. La aplicacin del peso

puede cambiar la tensin de la cuerda y por tanto la frecuencia.

La seal de frecuencia se digitaliza fcilmente sin necesidad de un conversor

anlogo digital. El problema es que la frecuencia y el peso no mantienen una

relacin lineal, pero se resuelve digital o mecnicamente con el uso de dos

cuerdas vibratorias. Si este es el caso, se evala el cuociente de las frecuencias

de ambas cuerdas.


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1.3.4 CELDAS DE CARGA HIDRALICAS

El sensor consiste en un pistn sobre el que se coloca el peso de manera que se

crea una presin en el aceite. Como se conoce el rea del pistn, el peso se

refleja directamente en un manmetro Bourdon.

Figura 1.19 Constitucin de una Celda de Carga Hidrulica

Para obtener una seal elctrica, se suman las presiones de varias clulas

hidrulicas y se aplican a un transmisor electrnico de equilibrio de fuerzas.

Estos sistemas son utilizados en aplicaciones industriales para mediciones de

hasta 100 toneladas. Tienen una rpida respuesta, admiten sobrecargas de hasta

el 40% y pueden ser a prueba de explosin y resistentes a las vibraciones, segn

el requerimiento.


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1.3.5 CELDAS DE CARGA NEUMTICAS

Funcionan de una forma similar a las anteriores, pero en lugar de ejercer la

presin sobre un fluido, se la ejerce sobre el aire. El transmisor neumtico se sita

baja la plataforma de pesado, as la fuerza del peso es comparada con el

esfuerzo ejercido por un diafragma alimentado a presin.

Figura 1.20 Celda de Carga Neumtica

El sistema se equilibra por medio de una tobera obturador y la cmara de

realimentacin del transmisor. La presin que el aire alcanza en esta cmara

indica el peso.

Se usa para pesos de hasta 10 toneladas con precisiones de hasta el 0.2%. Son

especialmente tiles en el caso de sistemas de control neumtico.

1.3.6 LAS GALGAS EXTENSIOMTRICAS

Son transductores pasivos que aplicados sobre un elemento flexible (celda de

carga), miden la presin o el esfuerzo a partir de la deformacin producida porfuerzas de compresin, traccin o flexin. La deformacin provoca variacin de la

longitud y el dimetro de la seccin de la galga, y por tanto, de la resistencia

elctrica.


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1.3.6.1 Principio de Funcionamiento

La galga est constituida bsicamente por una base delgada no conductora,

sobre la cual va adherido un hilo metlico muy fino. Suponiendo que este hilo es

de un metal homogneo de longitud L y seccin transversal A, la resistencia

puede ser expresada como:

A

LR = (1.2)

Donde:

R= resistencia

= resistividad

L= Longitud

A= seccin transversal

La ecuacin 1.2 se cumple para metales comunes y no metales a temperatura

ambiente, sujetos a corriente directa o a baja frecuencia. Cuando la galga es

sometida a una presin o fuerza, sufre una deformacin que causa alargamiento y

ensanchamiento del conductor como se ve en la figura 1.21:

Figura 1.21 Alargamiento de un Conductor

Entonces el cambio en la resistencia puede ser expresado como:

AALL

ALR

++= )( (1.3)

Donde es el incremento de la cantidad. Esta expresin puede reducirse si se

asume:

L

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L

dL

A

dAD 22 == (1.12)

Finalmente, el cambio de resistencia por unidad de resistencia (R/R) queda:

( )

21++=

d

R

dR

(1.13)

Esta ecuacin expresa la proporcionalidad bsica entre resistencia y deformacin

en el material de la galga.

Una medida de la sensibilidad del material se define como el factor de la galga:

RdR

FG/

= (1.14)

El factor de la galga tambin puede ser determinado como:

/

21d

FG ++= (1.15)

As expresado incluye dos efectos. El primer trmino en el lado derecho

representa directamente el efecto Poisson (la tendencia en un material elstico a

contraerse lateralmente en respuesta a un estrechamiento axial). El segundo, la

contribucin debida a los cambios en la resistividad del material como respuesta

al esfuerzo aplicado. Se concluye que la resistencia de la galga vara con la

deformacin debida al esfuerzo aplicado en la celda de carga. La direccin de

deformacin que provoca el aumento de resistencia, se denomina largo activo.

Figura 1.22 Variacin de la resistencia segn la direccin de la deformacin


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En ausencia de un cambio directo en la resistividad, los valores mximos

esperados para el factor son: 1 FG 2, para galgas metlicas, que

corresponden al rango terico permitido para el coeficiente de Poisson: 0 .

Para algunas aleaciones especiales y carbn, el FG puede llegar hasta 10. Es

mejor un alto FG, por indicar un mayor cambio de resistencia y facilitar la

medicin. Los materiales ms comunes usados en galgas se enlistan en la tabla

1.1. Aunque el platino y el nquel no se utilizan en forma pura, se incluyen para su

comparacin.

Tabla 1.1 Caractersticas de los materiales de las galgas

Material Factor de Galga

Platino (Pt 100%) 6.1

Platino - Iridio (Pt 95%, Ir 5%) 5.1

Platino - Tungsteno (Pt 92%, W 8%) 4.0

Isoelastic (Fe 55.5%, Ni 36% Cr 8%, Mn 0.5%) * 3.6

Constantan / Advance / Copel (Ni 45%, Cu 55%) * 2.1

Nichrome V (Ni 80%, Cr 20%) * 2.1

Karma (Ni 74%, Cr 20%, Al 3%, Fe 3%) * 2.0

Armour D (Fe 70%, Cr 20%, Al 10%) * 2.0

Monel (Ni 67%, Cu 33%) * 1.9Manganin (Cu 84%, Mn 12%, Ni 4%) * 0.47

Nquel (Ni 100%) -12.1

* Isoelastic, Constantan, Nichrome, Karma, Armour, Monel, Manganin son

nombres comerciales ro iedad de diferentes marcas

1.3.6.2 Clasificacin

Existen dos tipos bsicos de Galgas, las metlicas y las semiconductoras.

Algunas de sus caractersticas se comparan en la tabla 1.2.


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Tabla 1.2 Caractersticas de las Galgas Metlicas y Semiconductoras

Caracterstica Galgas Metlicas Galgas de Semiconductor

Margen de Medida () 0,1 - 40000 0,001 - 3000

FG 2 - 5 50 - 200

Resistencia () 120, 135, 600 (0,1%) 1K - 5 K (1%)

Tamao (mm) 0,4 - 150 1 - 5

1.3.6.2.1 Galgas MetlicasSon las ms empleadas. Para su fabricacin se usan aleaciones constantn,

karma, isoelestic y aleaciones de platino.

Figura 1.23 Configuracin de una galga metlica

Las galgas metlicas se clasifican segn el tipo de construccin de la rejilla en:

- Hilo Metlico. Son las ms sencillas, normalmente estn adheridas a una

base de dimensiones estables. Introducen errores en la medida ante estados

tensionales no longitudinales debido a la curvatura del hilo en la rejilla.


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Figura 1.24 Construccin de una Galga de Hilo Metlico

- Pelcula Metlica. Se desarrollan por mtodos de fotograbado. Se fabrican de

forma similar a la produccin de circuitos impresos en bases flexibles.

Figura 1.25 Constitucin de una Galga de Pelcula Metlica

- Metal depositado. Se aplican directamente sobre superficies, con mtodos de

evaporizacin o bombardeo qumico. Utilizadas en los diafragmas de los

sensores de presin.

1.3.6.2.2 Galgas semiconductorasSe fabrican de silicio u otro material semiconductor. El margen de medida es

aproximadamente igual a 3000 . Su cambio resistivo es menos lineal que las de

metal y tienen una gran dependencia de la temperatura. Se usan en la fabricacin

de sensores integrados de presin y se implantan en micro diafragmas.


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GALGA

Silicio

Pad deconexin

Figura 1.26 Galga semiconductora

1.3.6.3 Formas Constructivas

Comercialmente se encuentran diferentes diseos y arreglos de galgas, ya que la

medicin de la tensin o esfuerzo, puede realizarse en diferentes direcciones:

radiales, axiales, ortogonales, etc.

Figura 1.27 Formas Constructivas de la Galga Extensiomtrica

1.3.6.4 Instalacin de la Galga Extensiomtrica

La instalacin de la galga extensiomtrica en una celda de carga es un

procedimiento crtico, una instalacin inapropiada puede no solo provocar

mediciones errneas sino daar totalmente a la galga.


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Algunos tipos de galgas pueden ser soldados en la superficie de montaje, sin

embargo los ms ampliamente usados son los adhesivos. El procedimiento ms

comn para el montaje de una galga es el siguiente:

1. Preparacin de la Superficie. Consiste en limpiar y adecuar la superficie

para la instalacin, generalmente se utiliza limpiadores abrasivos de

manera que la superficie quede libre de cualquier impureza especialmente

grasas, muchas veces tambin se requiere lijar la superficie para que

quede lo ms uniforme posible.

2. Pegado de la Galga. Consiste en transferir la galga a la superficie, para lo

cual previamente se ha marcado la posicin de la galga. Las galgas se

posicionan en la superficie y se cubren con cinta adhesiva presionandolevemente. Junto con la cinta, se retiran de la superficie y se coloca una

mnima cantidad de adhesivo en el lado libre de la galga. Se reaplica la

galga a la superficie presionando levemente y una vez que el adhesivo se

ha secado se retira la cinta.

Figura 1.28 Pegado de la Galga a la Celda de Carga

3. Fijar los cables para las Seales. Se retira unos milmetros del aislante de

los cables y se sueldan a los respectivos puntos de la galga, se limpia con

alcohol el exceso de suelda y se aplica un poco de epoxy sobre estos

puntos.


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Figura 1.29 Fijacin de los Cables al Circuito

4. Cubierta Protectora. Para proteger el circuito de la galga se limpia con un

poco de alcohol y se aplica una capa de epoxi sobre la superficie, dejando

libre los extremos de los cables para alimentacin y seal.

Figura 1.30 Aplicacin de la Capa Protectora

1.3.6.5 Circuitos de Medida

El circuito tpico de medida para de los cambios de resistencia de una galga es el

puente de Wheatstone, ya que es muy sensible a los pequeos cambios de

resistencia. Segn la medicin sea por traccin (estiramiento) o compresin, se

escoge el colocar una o varias galgas en el cuerpo de la celda, depende tambin

de la compensacin de los efectos de temperatura. Se tendr entonces

configuraciones de cuarto de puente, medio puente y puente completo.

1.3.6.5.1 Circuito de Cuarto de PuenteEs el puente de medida ms sencillo, est conformado por una sola galga activa

trabajando a traccin. El anlisis del circuito se lleva a cabo asumiendo que todas

las resistencias son iguales cuando no hay deformacin extensiomtrica.


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Figura 1.31 Disposicin en cuarto de puente

Figura 1.32 Circuito de cuarto de puente

2VVa = (1.16)

( )RRR

VRVb

++

= (1.17)

( )RRRVRV

Vab++

=

2 (1.18)

RR

RVVab

+

=24

(1.19)

Como 4R>>2R:

44

=

=

KV

R

RVVab (1.20)

La tensin de salida del puente es muy pequea y debe amplificarse. Las galgas

son bastante sensibles a la temperatura (hasta 50 /C), por lo que se suelen

compensar mediante una galga pasiva conectada en la misma rama que la activa


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y fsicamente prxima a ella, de forma que se encuentre a su misma temperatura,

pero no sometida a esfuerzos.

1.3.6.5.2 Circuito de Medio PuenteEst formado por dos galgas activas, y dos inactivas para compensar el efecto de

la temperatura. Con esta configuracin se duplica la sensibilidad del puente.

Figura 1.33 Disposicin en medio puente

Figura 1.34 Circuito de Medio Puente

RR

RVVab

+

=22

(1.21)

22

=

=

KV

R

RVVab (1.22)


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1.3.6.5.3 Circuito de Puente CompletoEste circuito tiene cuatro veces la sensibilidad del circuito de cuarto de puente, ya

que integra cuatro galgas activas, dos en compresin y dos en traccin, con lo

que adems se compensa los efectos de la temperatura.

Figura 1.35 Disposicin en puente completo

Figura 1.36 Circuito de Puente Completo

=

= KVR

RVVab (1.23)

El circuito de la galga se adhiere a una celda de carga y mediante la deformacin

que el peso realiza sobre la celda, la galga vara la resistencia.


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1.3.6.6 Celdas de Carga

Bsicamente es un trozo de metal (aluminio o acero) de muy buena calidad al que

se le practica una incisin o perforacin para debilitar un punto determinado de su

estructura. En este punto se adhieren el circuito de la galga que sufrir la

deformacin fsica o geomtrica, al aplicar el peso. Esto produce un cambio de

resistencia en la galga que se mide en un circuito puente de Wheatstone.

Tanto por lmites de la galga como por lmites de la celda, sta tiene una zona

lineal de funcionamiento, como se detalla en la figura 1.37:

Figura 1.37 Comportamiento de la Celda de Carga

Para el diseo de un sistema de pesaje, se procura tener un lmite algo inferior allineal y adems se pone protecciones mecnicas para asegurar que la celda no

tenga un dao permanente a causa de sobrecargas accidentales.

Este tipo de sensor encuentra su limitacin en sistemas de pesaje de alta

resolucin, una de las razones es la sensibilidad a la humedad del adhesivo entre


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la galga y el cuerpo de la celda. La baja seal de salida tambin puede ocasionar

problemas debido al ruido.

En oposicin, una de las ventajas es el diseo compacto del sensor y su fcil

adaptabilidad a varias capacidades de carga.

Figura 1.38 Medicin de Peso con Galgas Extensiomtricas

Las celdas de carga pueden clasificarse segn el tipo de trabajo que utilizan para

la deformacin y la forma de su estructura.

1.3.6.6.1 Celdas de Carga a Flexin o DobladoOfrecen un buen nivel de deformacin para fuerzas relativamente bajas, lo que las

hace ideales para bajas capacidades de carga. El principio de medicin es la

aplicacin de una fuerza que dobla la celda para producir la deformacin ya sea

en traccin o compresin, adems se tiene una excelente linealidad.

En estas celdas, la galga se pega en una parte plana de la seccin superior o

inferior, en el punto de mxima deformacin y puede fcilmente formar un circuito

puente con compensacin de temperatura. Una desventaja es que la celda debe

ser colocada con precisin para obtener resultados coherentes. En este grupo se

encuentran las celdas de punto nico, por ejemplo.


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Figura 1.39 Celdas a Flexin o Doblado

1.3.6.6.2 Celdas de Viga CortadaLa estructura de estas celdas tiene un corte que le da forma de I a la seccin

transversal, dejando una delgada red en el centro.

Figura 1.40 Celda de Viga Cortada

As la fuerza de corte impuesta por la carga, es absorbida totalmente por la red

mientras que el momento de doblado es resistido por el resto de la estructura. La

tensin en la red es puramente de corte, actuando en direcciones vertical y

horizontal, creando un eje de 45 en ambos lados de la celda, donde se colocan

las galgas en un circuito de puente completo.

Se emplea para capacidades medias y altas, tiene una gran linealidad. No es

susceptible a cargas fuera del punto de medicin como son las laterales.


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Figura 1.41 Celda de viga cortada redonda

1.3.6.6.3 Celdas de CompresinLas celdas de carga de compresin pueden estar basadas en mediciones de

doblado, anillo de torsin, columna o corte.

Las de columna son uno de los primeros diseos, el elemento de la columna

puede tener uno o varios miembros, es decir, una o varias columnas. La columna

debe ser lo suficiente larga con respecto a la seccin transversal, para proveer un

campo de deformacin uniforme. Debido a que la seccin transversal cambia

durante la deformacin, este tipo de celdas son no lineales pero puede

compensarse conectando galgas semiconductoras.

Figura 1.42 Celda de Carga de Compresin


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1.4 EQUIPO PROPUESTO

El equipo propuesto es un prototipo de balanza para venta de productos al peso.

En su diseo se ha tratado de incluir caractersticas que satisfagan lasnecesidades de esta aplicacin y se han considerado las especificaciones

tcnicas y funcionales anteriormente analizadas.

La primera caracterstica a escoger es el lmite del peso que soportar el aparato.

Para la aplicacin, los objetos con mayor masa estn alrededor de los 20 Kg.,

pero para dar algo de holgura se escogi un lmite de 30 Kg., que tambin es el

valor lmite en las balanzas comerciales similares.

As como se considera los mayores valores, debe tomarse en cuenta los mnimos,

con el fin de determinar la precisin. De este parmetro depende el margen de

error en el cobro por la cantidad del producto, de manera que mientras mide

valores ms pequeos es mejor, pero esto tambin implica un mayor costo del

equipo. Del mismo modo comparando con las balanzas comerciales, los valores

oscilan entre los 10 y 20 gr. de resolucin, se escoge 10 gr.

La balanza utiliza como sensor, galgas extensiomtricas ubicadas en una celda

de carga, de manera que al energizarse entreguen un voltaje lineal proporcional al

peso medido. Este voltaje es acondicionado por un amplificador operacional de

instrumentacin, para obtener una seal que puede ser ingresada al conversor

anlogo digital del microcontrolador. Con este dato y el cdigo ingresado por el

teclado de la balanza, el microcontrolador puede disponer la visualizacin de:

nombre del producto, peso, precio unitario y precio total en una pantalla LCD, o a

su vez enviar informacin sobre el peso al computador mediante comunicacin

serial RS232, para que el usuario pueda tener los mismos datos del LCD en la

pantalla del computador. El sistema tambin tiene un programa de Visual Basic

para el ingreso, por parte del usuario, de los nombres de los productos, sus

cdigos y sus precios unitarios. Esta base de datos no solo puede ser usada por

la interfase visual del computador, adems tiene la posibilidad de ser traspasada,


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