DISEO Y CONSTRUCCIN DE MEDIDORES DE FLUJO PARA LQUIDOS Y SENSORES DE TEMPERATURA CON SALIDA DIGITAL

JUAN SALVADOR ROSERO TOVAR

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERA DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA SANTAF DE BOGOT D.C. 2001

DISEO Y CONSTRUCCIN DE MEDIDORES DE FLUJO PARA LQUIDOS Y SENSORES DE TEMPERATURA CON SALIDA DIGITAL

JUAN SALVADOR ROSERO TOVAR

Proyecto de grado para optar el ttulo de Ingeniero Mecnico

Director Ing. Fabio Sierra Vargas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERA DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA SANTAF DE BOGOT D.C. 2001

Nota de aceptacin ________________________________ ________________________________ ________________________________

________________________________ Ing. Sierra Vargas Director del proyecto

________________________________ Jurado

________________________________ Jurado

Santaf de Bogot D.C. 22 de junio de 2001.

Este proyecto va dedicado nica y exclusivamente a Dios, ya que es mi fuente de agua permanente. l me ha dado todo lo que tengo. Por l poseo la inteligencia que me permite realizar este proyecto, l me ha dado la tranquilidad y seguridad para hacer las cosas; por l he podido disfrutar de dos grandes hermanos, Jos Leonardo y Sandra. Por l he aprendido a dar gracias por la existencia de mis amigos y enemigos, la cual en sus buenos consejos y humillaciones, respectivamente, mi vida se ha hecho ms fuerte y relevante para hacer feliz a las personas que en mis aos de vida se han esmerado por hacerme saber cuanto me quieren: mi abuela Ana Tilde y mis mams Lesvia y Rebe.

AGRADECIMIENTOS

Expreso mis ms sinceros agradecimientos a aquellas personas que de una u otra forma colaboraron moral y/o materialmente con la realizacin de este proyecto:

FABIO SIERRA, Ingeniero Mecnico, profesor del rea de ciencias trmicas de Ingeniera Mecnica, Universidad Nacional de Colombia. Director del presente proyecto por su increble paciencia para conmigo y por sus valiosos aportes durante el proyecto.

NELSON

COGUA,

Tcnico

encargado

del

laboratorio

de

motores,

Universidad Nacional de Colombia. Gracias a l me llen de ganas para culminar este proyecto. Siempre me llam la atencin su espritu de servicio y el sentido de pertenencia por todo aquello relacionado con la Universidad Nacional.

CARLOS JULIO HERNNDEZ, Licenciado en electromecnica, encargado del laboratorio de plantas trmicas. Gracias a l aprend a tener un poco ms de paciencia.

JOS carrera.

Y LORENA, por toda la colaboracin prestada durante toda mi

WILLIAM DEL CASTILLO, fue la persona que ms confianza deposit en m.

FAMILIA ROSERO, por la ayuda econmica que siempre me brind.

ALVARO, FIDEL Y JOHN, su apoyo moral nunca lo olvidar porque con ustedes aprend lo bueno que es pasar dificultades cuando tienes a alguien te respalde.

FAMILIA RAMREZ-HOME, FAMILIA DEFFIT-TELLEZ, FAMILIA SUREZ Y ANDRS, mi hermanito, gracias por dejarme contar con sus vidas y con sus consejos, sin ellos no hubiera mejorado mi forma de ser.

ELVIS VALDIVIESO Y ALEJANDRO GALINDO, mis amigos de toda la carrera.

A mis tos, Salvador, David y Arturo, y a todas aquellas personas cuyos nombres se me escapan en este momento. Gracias por su tiempo, sus ganas y su afecto.

TABLA DE CONTENIDO

Pgina

INTRODUCCIN 1. MEDIDORES O SENSORES DE FLUJO 1.1 DEFINICIN 1.2 GENERALIDADES 1.3 PARTES DE UN SENSOR 1.3.1 Mecanismo de contacto directo 1.3.2 Transductor primario 1.3.3 Sistema de lectura 1.4 TIPOS DE SENSORES DE FLUJO 1.4.1 Medidores de presin diferencial 1.4.2 Medidores magnticos 1.4.3 Medidores de desplazamiento positivo 1.4.4 Medidores tipo turbina 1.4.4.1 Factores de prdida de energa en medidores tipo turbina 2. CONSIDERACIONES DE DISEO DE LOS SENSORES DE FLUJO 2.1 REGMENES DE FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERAS: LAMINAR Y TURBULENTO 2.1.1 Velocidad media de flujo 2.1.2 Nmero de Reynolds 2.1.3 Radio hidrulico 2.2 LLENADO DE LA TUBERA

15

15 15 16 16 16 16 18 18 17 19 19

19

22 22 25 26 26

3. CONSTRUCCIN DE LOS SENSORES DE FLUJO 3.1 RGIMEN DE FLUJO PARA EL RANGO DE TRABAJO 3.2 CARACTERSTICAS DEL SENSOR ESCOGIDO 3.2.1 Nmero de labes utilizado 3.2.1.1 Turbina de 4 labes 3.2.1.2 Turbina de 6 labes 3.2.1.3 Turbina de 8 labes 3.2.2 Cubierta del sensor 3.2.3 Sistema de acople del sensor 3.2.4 Ventajas 3.2.5 Desventajas 30 31 32 33 33 34 35 36 53 53

4. SISTEMA DE ADQUISICIN DE DATOS (SAD) 4.1 DEFINICIN 4.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA 4.2.1 Sensores o transductores 4.2.2 Circuito de acondicionamiento de seales 4.2.3 Circuito de muestreo y retencin (Sampled and Hold) 4.2.4 Multiplexor analgico 4.2.5 Conversor Anlogo Digital (A/D) 4.2.6 Conversor Digital Anlogo (D/A) 4.3 PARMETROS CARACTERSTICOS DE UN SAD 4.4 CLASIFICACIN DE LOS SADs 4.5 ERRORES QUE SE PRESENTAN EN LA DIGITALIZACIN DE SEALES 65 54 55 56 56 57 57 57 62 64 65

5. SENSORES DE TEMPERATURA 5.1 CARACTERSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS 5.2 SENSORES DE TEMPERATURA 67 68

5.3 TIPO DE SENSOR UTILIZADO 5.4 CONFORMACIN DE LA TARJETA (SADs) PARA SENSORES DE TEMPERATURA 5.4.1 Etapa de acondicionamiento 5.4.2 Tarjeta principal 5.4.3 Etapa de visualizacin 5.4.4 Ventajas 5.4.5 Desventajas

69

70 70 72 74 75 79

6. SENSORES DE FLUJO : MODO DE UTILIZACIN Y FUTURAS MODIFICACIONES 6.1 CUIDADOS PARA USAR EL SENSOR DE FLUJO 6.2 MODO EN QUE REALIZA INTERNAMENTE LA MEDICIN 81 82

7. TARJETA SAD PARA SENSORES DE TEMPERATURA: MODO DE UTILIZACIN Y FUTURAS MODIFICACIONES 7.1 CUIDADOS PARA USAR LA TARJETA 7.2 FUNCIONAMIENTO INTERNO DE LA TARJETA 8. SOFTWARE PARA PROGRAMAR MICROCONTROLADORES PIC 86 84 85

9. CONCLUSIONES

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NDICE DE FIGURASPgina

FIGURA 1.1 Medidor de presin diferencial FIGURA 1.2 Medidor magntico FIGURA 2.1 Flujo laminar FIGURA 2.2 Flujo en zona crtica FIGURA 2.3 Flujo turbulento FIGURA 2.4 Perfil de velocidades en rgimen laminar FIGURA 2.5 Perfil de velocidades en rgimen turbulento FIGURA 2.6 Tubera parcialmente llena FIGURA 2.7 Tubera totalmente llena FIGURA 2.8a Fotografa de turbinas artesanales FIGURA 2.8b Fotografa de turbinas artesanales FIGURA 3.1 Fotografa de turbinas en resina FIGURA 3.2a Fotografa tarjeta de lectura del sensor de flujo FIGURA 3.2b Fotografa de turbina de 4 labes FIGURA 3.3 Fotografa de turbina de 6 labes FIGURA 3.4 Fotografa de turbina de 8 labes FIGURA 3.5 Posicin de cubierta inicialmente pensado FIGURA 3.6 Posicin de cubierta actualmente implementado FIGURA 3.7 Sistema de acople del sensor FIGURA 3.7a Diagrama elctrico sensor flujo FIGURA 3.8 Un imn no registra de vuelta FIGURA 3.9 Cuatro imanes si registran de vuelta FIGURA 3.10 Grfico para turbina de 4 labes y un imn(ensayo 1)

18 18 23 23 23 24 25 27 28 28 28 29 32 33 34 35 36 36 37 38 39 39 44

FIGURA 3.11 Grfico para turbina de 4 labes y un imn ( ensayo 2 ) FIGURA 3.12 Grfico para turbina de 4 labes y un imn ( ensayo 3 ) FIGURA 3.13 Grfico para turbina de 4 labes y un imn ( ensayo 4 ) FIGURA 3.14 Grfico para turbina de 4 labes y cuatro imanes ( ensayo 1 ) FIGURA 3.15 Grfico para turbina de 4 labes y cuatro imanes ( ensayo 2 ) FIGURA 3.16 Grfico para turbina de 4 labes y cuatro imanes ( ensayo 3 ) FIGURA 3.17 Grfico para turbina de 4 labes y cuatro imanes ( ensayo 4 ) FIGURA 3.21 Fotografa del sensor y la tarjeta de lectura FIGURA 4.1 Esquema general de un SAD FIGURA 4.2 Seal digitalizada FIGURA 4.3 Conversor A/D tipo escalera FIGURA 4.4 Conversor A/D de aproximaciones sucesivas FIGURA 5.0 Diagrama de conexiones elctricas ampliif. operacional FIGURA 5.1 Fotografa etapa de acondicionamiento FIGURA 5.1a Diagrama elctrico sensor temperatura FIGURA 5.2 Fotografa tarjeta principal con las subetapas FIGURA 5.3 Fotografa etapa de visualizacin FIGURA 5.3a Diagrama conexiones display 7 segmentos FIGURA 5.4 Fotografa de la tarjeta mostrando modo solo display FIGURA 5.5 Fotografa de la tarjeta mostrando modo solo serial FIGURA 5.6 Fotografa de la tarjeta mostrando modo display y serial

45 46 47

48

49

50

51 52 55 57 60 61 71 72 73 74 74 75 76 77 77

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NDICE DE TABLASPgina

TABLA 3.1 Resultados para turbina de 4 labes y un imn ( ensayo 1) 40

TABLA 3.2 Resultados para turbina de 4 labes y un imn ( ensayo 2) TABLA 3.3 Resultados para turbina de 4 labes y un imn ( ensayo 3) TABLA 3.4 Resultados para turbina de 4 labes y un imn ( ensayo 4) TABLA 3.5 Resultados para turbina de 4 labes y cuatro imanes ( ensayo 1) TABLA 3.6 Resultados para turbina de 4 labes y cuatro imanes ( ensayo 2) TABLA 3.7 Resultados para turbina de 4 labes y cuatro imanes ( ensayo 3) TABLA 3.8 Resultados para turbina de 4 labes y cuatro imanes ( ensayo 4) 43 42 42 41 41 41 40

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INTRODUCCIN

La transferencia de calor es un fenmeno que est presente en la mayora de los procesos industriales. Se menciona ste por ser uno de los ms frecuentes y est bastante asociado con el siguiente proyecto.

En el mercado se pueden encontrar diferentes sistemas de transferencia de calor, tales como: Intercambiador de Calor de Placas, Intercambiador de Carcasa y Tubo, etc. Estos sistemas no pueden ser instalados

indiscriminadamente sin antes analizar dos factores de vital importancia durante la ejecucin de un proyecto: la factibilidad y la viabilidad, las cuales determinan si es posible realizar un proyecto y que tan conveniente puede resultar el mismo.

En el momento de disear un sistema de este tipo se fijan lmites de transferencia que hay que cumplir para poder garantizar su rendimiento y resulta necesario conocer las condiciones reales de operacin para saber en que rango de eficiencia est trabajando el proceso. Esto es un punto a tener en cuenta si se sabe que una disminucin, por pequea que sea, de este parmetro puede representar prdidas enormes en industrias donde los procesos de transferencia de calor son de magnitud considerable. Unos parmetros requeridos para realizar este anlisis son: temperaturas y caudales de los fluidos de trabajo.

En los ltimos aos, la Universidad Nacional de Colombia ha estado fomentando la ejecucin de proyectos de grado que tienen como objetivo principal el desarrollo de investigaciones que permitan la creacin de nuevas tecnologas o el mejoramiento de otras ya existentes; logrndose con esto el acondicionamiento de las diferentes instalaciones a un costo razonable para el presupuesto de la universidad.

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Teniendo en cuenta los anteriores aspectos, se decidi disear unos sensores de flujo que permitan obtener valores de caudal con una precisin bastante buena en el rango de 1 a 200 lt / min; dispositivo de gran importancia en los procesos de transferencia de calor. Adems, consciente de la importancia que representa la medicin de la temperatura en dicho proceso se decidi tambin disear una tarjeta de adquisicin de datos para sensores de temperatura que pueda enviar lecturas a una base de datos, y que al igual que los sensores de flujo, sea porttil y permita visualizar valores en un display, en caso de faltar el computador.

Los anteriores dispositivos se realizaron con la tecnologa de los microcontroladores PIC 16F84 y 16C74B (16F874 16F877) de Microchip.

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1.

MEDIDORES O SENSORES DE FLUJO

DEFINICIN

Un medidor o sensor de flujo, es inicialmente, un transductor (transforma un tipo de seal en otra) que recibe un tipo de seal, dependiendo de la clase de sensor, y la transforma en un valor de caudal. En el siguiente trabajo se contemplan los sensores de tipo volumtrico, es decir, miden el paso de volumen en la unidad de tiempo de un determinado fluido, que para el caso, es agua.

GENERALIDADES

En diferentes procesos industriales es de gran relevancia conocer el flujo en la unidad de tiempo de los fluidos de trabajo con el fin de determinar si se est actuando a la mnima o a la mxima capacidad de operacin de los mismos. Es aqu donde juega un papel importante el sensor de flujo.

En el mercado se pueden encontrar sensores de diferentes tamaos, principios, precisiones etc., pero dependiendo de los parmetros para la escogencia pueden resultar bastante costosos. Este ltimo factor ha dado motivacin para desarrollar sensores capaces de cumplir con determinados requisitos de operacin y que, ante todo, sean de fcil adquisicin, econmicamente hablando. Esto porque hay usuarios que necesitan medir caudales en diferentes puntos sin demasiada precisin; es obvio, que si no se necesita alta precisin, no se justifica tener que adquirir un sensor de alta designacin y alto costo si se puede obtener otro de menor designacin, pero ajustado al presupuesto de los usuarios.

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PARTES DE UN SENSOR DE FLUJO

Por lo general un sensor de flujo completo est constituido por un mecanismo de contacto directo con el flujo que est pasando, un transductor primario y un sistema de lectura.

Mecanismo de contacto directo

Esta es la parte que permanece en contacto con el fluido de trabajo. Dicha parte debe cumplir con ciertos requisitos con el fin de evitar errores en las posteriores transformaciones de seal; por lo general, ste representa el cuello de botella en la construccin de estos sensores.

Transductor primario

Este dispositivo se encarga de recibir la seal enviada por el mecanismo de contacto directo y realizar una transformacin con el fin de hacer un cambio de variable para que el sistema de lectura lo pueda interpretar.

Sistema de lectura

ste se encarga de recibir la seal proveniente del transductor primario y realizar una serie de acondicionamientos para poder mostrar el determinado valor de caudal en un display o simplemente enviarlo al computador. En cualquiera de los dos casos debe permitir visualizar en diferentes unidades, para mayor comodidad.

Al iniciar esta seccin se habl de sensor de flujo completo porque se puede presentar el caso en el que dicho sensor est contemplado slo con medidor

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de contacto directo y transductor primario. Este ltimo arrojara una seal de voltaje o corriente que necesitara ser acondicionada para relacionarla con valores de caudal, como se dijo anteriormente.

TIPOS DE SENSORES DE FLUJO

Hay diferentes formas de medir caudal volumtrico. Los ms utilizados son: medidores de presin diferencial, medidores magnticos, medidores tipo turbina, medidores de desplazamiento positivo.

Medidores de presin diferencial

Se fundamentan en la aplicacin del teorema de Bernoulli, el cual se resume en que

Energa Cintica + Energa de Presin = Constante

Ec. (1)

Una disminucin del dimetro de la tubera ocasiona una restriccin al paso del fluido. La seccin mnima por la cual pasa el fluido se denomina vena contracta, figura 1.1. Al medir la diferencia de presin (P1) aguas arriba de la restriccin y en la vena contracta (P2) y conociendo los dimetros se puede deducir que el caudal es proporcional a la raiz cuadrada de la cada de presin:

Q = k* Diferencial Pr esin

Ec. (2)

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stos se conocen tambin como medidores de presin diferencial. Vena contracta

Direccin flujo

P2

P1

Figura 1.1 Medidor de presin diferencial

Medidores magnticos

stos derivan su funcionamiento de la ley de induccin de Faraday. Dicha ley establece que la tensin inducida en cualquier conductor al moverse ste perpendicularmente a travs de un campo magntico, es proporcional a la velocidad del conductor. Se construye colocando un campo magntico en posicin normal a la direccin del flujo a medir, sobre el mismo plano y rotados 90 grados se colocan dos electrodos sobre los cuales se mide la magnitud de la fuerza electromotriz inducida por el paso del fluido, figura 1.2.

F.E.M. Inducida

Campo magntico Figura 1.2 Medidor magntico

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Medidores de desplazamiento positivo

Este tipo de transductores miden el caudal contando o integrando volmenes separados de lquido. La precisin depende de la holgura que se tenga en las paredes mviles y las fijas.

Medidores tipo turbina

Est constituido por un rotor o turbina que gira con el paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. ste ofrece grandes ventajas ya que es de fcil construccin y permite realizar mediciones para caudales pequeos.

1.4.4.1 Factores de prdida de energa en medidores tipo turbina

En este tipo de sensores se pueden presentar inconvenientes (debido a prdidas de energa) al momento de ser operados, entre stos se pueden citar: rotacin defectuosa, lectura de caudal errnea, etc. Por lo anterior, es importante conocer las causas que originan tales inconvenientes. Como causas principales pueden citarse:

Prdidas por friccin sobre las paredes de los contornos; stas varan con el cuadrado de la velocidad relativa y con la longitud del ducto o canal por donde se mueve el fluido, siendo inversamente proporcional al radio hidrulico de la seccin de dicho ducto. Tambin intervienen la viscosidad del fluido y la rugosidad de las paredes.

Prdidas por separacin del fluido de los contornos de los labes o por choques contra los mismos, producindose turbulencias o vibraciones perjudiciales. Este efecto tiene lugar, por ejemplo, en la operacin a carga

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parcial o sobrecarga en las mquinas de labes fijos, al modificarse la incidencia con la regulacin del caudal. La mquina, ya sea bomba o turbina, est ligada rgidamente a otra mquina de velocidad angular constante (motor o generador) y para modificar la potencia de acuerdo con la demanda, se regula el gasto, cambiando en magnitud o direccin de la velocidad absoluta de entrada al rotor; pero como la velocidad de arrastre permanece constante, necesariamente la velocidad relativa se sale de la posicin tangente que debe tener respecto al labe, producindose la separacin o choque contra el mismo.

Desde luego, la separacin se produce en el borde de ataque del labe, al modificarse el ngulo de incidencia y para velocidades subsnicas del fluido. En el caso de velocidades supersnicas, como sucede con algunas mquinas que trabajan con aire, gas o vapor, la separacin se presenta en el borde de fuga del labe debido a un gradiente de presin adversa que se crea en virtud de una interaccin entre la onda de choque que se genera en la parte convexa del labe. Esta separacin lugar a turbulencias que aumentan la fuerza de arrastre del labe, disminuyendo el rendimiento. Este efecto obliga a limitar el valor del cambio en las velocidades relativas del fluido y a sacrificar la energa esttica transferida por este concepto.

Prdidas por recirculacin del fluido entre el rotor y la carcasa. El rotor al gira dentro de la carcasa llena de fluido produce una verdadera centrifugacin de las partculas que estn en su contacto perifrico, dando lugar a una corriente circulatoria que sigue al rotor en su movimiento. En ciertas mquinas hidrulicas se ha podido comprobar que la velocidad angular de esta corriente llega a ser la mitad de la del rotor. Vara de unas mquinas a otras, siendo evidente una prdida energtica a causa de una recirculacin del fluido.

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Prdidas por fugas. Resulta difcil evitar las fugas del fluido entre las partes mviles y fijas de una turbomquina, pues si se fuerza la presin sobre los sellos de ajuste, se aumenta el efecto abrasivo sobre los mismos y se acelera su destruccin, adems de producir un frenado que reduce el movimiento. Preferible es tolerar una ligera fuga, en muchos casos, como en las mquinas hidrulicas, que ayude a mantener hmedos los sellos, no slo para proteccin de stos, sino tambin para favorecer el deslizamiento y mejorar las condiciones de funcionamiento.

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2. CONSIDERACIONES DE DISEO DE LOS SENSORES DE FLUJO

En el captulo anterior se habl acerca de los sensores de flujo, las clases existentes y sus partes. Antes de realizar cualquier seleccin respecto al tipo de medidor es relevante considerar dos aspectos: El flujo con el que se va a trabajar es laminar para el rango de trabajo, o siempre es turbulento ? La tubera por la que se va a transportar el fluido est totalmente llena ? Son factores que deben ser manejados con cuidado, ya que de esto depende el desempeo del sensor. A continuacin se profundizar acerca de los anteriores aspectos.

2.1 REGMENES DE FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERAS: LAMINAR Y TURBULENTO

Un experimento simple muestra que hay dos tipos de flujo de fluidos en tuberas. ste consiste en inyectar pequeas cantidades de fluido coloreado en un lquido que circula por una tubera de cristal y observar el comportamiento de los filamentos coloreados en diferentes zonas, despus de los puntos de inyeccin.

Si la descarga o la velocidad media es pequea, las lminas de fluidos coloreado se desplazan en lneas rectas, figura 2.1. A medida que el caudal se incrementa, esta lminas continan movindose en lneas rectas hasta que se alcanza una velocidad en donde las lminas comienzan a ondularse y se rompen en forma brusca y difusa, figura 2.2.

23 Flujo laminar

Figura 2.1

Flujo en zona crtica

Figura 2.2

Flujo turbulento Figura 2.3

Esto ocurre en la llamada velocidad crtica. A velocidades mayores que la crtica los filamentos se dispersan de manera indeterminada a travs de toda la corriente, figura 2.3.

El tipo de flujo que existe a velocidades ms bajas que la crtica se conoce como rgimen laminar y a veces como rgimen viscoso. Este rgimen se caracteriza por el deslizamiento de capas cilndricas concntricas una sobre otra de manera ordenada. La velocidad es mxima en el eje de la tubera y disminuye rpidamente hasta anularse en la pared de la misma, figura 2.4.

A velocidades mayores que la crtica, el rgimen es turbulento. En el rgimen turbulento hay un movimiento irregular e indeterminado de las partculas del fluido en direcciones transversales a la direccin principal del flujo; la distribucin de velocidades en el rgimen turbulento es ms uniforme a travs del dimetro de la tubera que en el rgimen laminar, figura 2.5. A

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pesar de que existe un movimiento turbulento a travs de la mayor parte del dimetro de la tubera, siempre hay una pequea capa de fluido en la pared de la tubera, conocida como la capa perifrica o subcapa laminar, que se mueve en rgimen laminar.

2.1.1 Velocidad media de flujo

sta se refiere a la velocidad promedio de cierta seccin transversal dada por la ecuacin de continuidad para un flujo estacionario:

=

q A

Ec. (5)

en donde q es el caudal volumtrico y A el rea de la seccin transversal de la tubera.

La velocidad media es un punto importante, ya que el caudal que se desea medir depende de ella, y por tanto, es necesario saber cual es su valor en cierta posicin de la tubera (debido al perfil de velocidades en la tubera) para poder determinar q.

Figura 2.4 Perfil de velocidades en rgimen laminar

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Figura 2.5 Perfil de velocidades en rgimen turbulento 2.1.2 Nmero de Reynolds

Las investigaciones de Osborne Reynolds han demostrado que el rgimen de flujo en tuberas, es decir, si es laminar o turbulento, depende del dimetro de la tubera, de la densidad y la viscosidad del fluido y de la velocidad del flujo. El valor numrico de una combinacin adimensional de estas cuatro variables, conocido como el nmero de Reynolds, puede considerarse como la relacin de las fuerzas dinmicas de la masa del fluido respecto a los esfuerzos de deformacin ocasionados por la viscosidad. Este es: D * *

Re =

= viscosidad del fluido = densidad de masa del fluido = velocidad media del fluido D = dimetro de la tubera

Ec. (6)

Donde

Para estudios tcnicos, el rgimen de flujo en tuberas se considera como laminar si el nmero de Reynolds es menor que 2000 y turbulento si es superior a 4000. Entre estos dos valores est la zona denominada crtica donde el rgimen de flujo es impredecible, pudiendo ser laminar, turbulento o de transicin, dependiendo de muchas condiciones con posibilidad de

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variacin. La experimentacin cuidadosa ha determinado que la zona laminar puede acabar en Re tan bajo como 1200 o extenderse hasta 40000, pero estas condiciones no se presentan en la prctica. El nmero de Reynolds es importante porque ayuda a ubicar el rgimen de flujo, y por consiguiente, el perfil de velocidades.

2.1.3 Radio hidrulico

A veces se tienen conductos con seccin transversal que no es circular. Para calcular el nmero de Reynolds en estas condiciones, el dimetro circular es sustituido por el dimetro equivalente(cuatro veces el radio hidrulico).

RH =

SuperficieSeccinVenaLquida PermetroMojado

Ec. (7)

Esto se aplica a cualquier tipo de conducto(conducto circular no completamente lleno, ovalado, cuadrado o rectangular), pero no a formas muy estrechas, como aberturas anulares o alargadas, donde la anchura es pequea en comparacin con la longitud. En tales casos, el radio hidrulico es aproximadamente igual a la mitad de la anchura del paso.

2.2 LLENADO DE LA TUBERA

Un punto importante al momento de construir un sensor de flujo es la garanta de que la tubera est totalmente llena. Como lo que se quiere obtener es una medida de caudal, en este caso volumtrico, este valor viene expresado en funcin de la velocidad del fluido y del rea transversal de la tubera a travs de la cual est pasando el mismo. En caso de construirse un sensor que determine valores de velocidad relacionados con su respectivo

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caudal, se hace indispensable multiplicar dicho valor por una constante, el rea transversal. Debido a que va a haber reas diferentes para caudales diferentes (antes del llenado total de la tubera) lo que antes era una constante, ahora es una variable, figura 2.6. Esto representa un obstculo tremendo para las turbinas de reaccin como son la Kaplan y la Francis, debido a que necesitan ser ubicadas lo ms centradas posible en el ducto, con el fin de obtener el movimiento deseado; sin contar la turbulencia que altera su rotacin; muy diferente sera si estuviera totalmente llena la tubera, figura 2.7. Todo esto se pudo corroborar porque se construyeron turbinas axiales, mixtas y radiales con el nico motivo de observar sus comportamientos. Inicialmente se hicieron construcciones con materiales caseros que aumentaron considerablemente el peso de las turbinas y al ser sometidas a los caudales pertinentes, no se movan, figura 2.8, a y b.

Tubera

rea variable con el caudal

Vista frontal

Vista lateral

Figura 2.6 Tubera parcialmente llena

28 Tubera rea siempre constante

Vista frontal

Vista lateral

Figura 2.7 Tubera totalmente llena

Figura 2.8a Fotografas de las turbinas artesanales

Figura 2.8b Fotografa de las turbinas artesanales

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3. CONSTRUCCIN DE LOS SENSORES DE FLUJO

En el captulo primero se habl acerca de los mecanismos para medicin de caudal ms utilizados. Por razones de simplicidad en la construccin y por el rango de trabajo en el caudal se analizarn los sensores tipo turbina.

Figura 3.1 Fotografas de turbinas en resina

Teniendo en cuenta lo que se estudi en el captulo segundo ( tipo de flujo y llenado de tubera ), se tom la decisin de buscar materiales ms livianos con que construir las turbinas, y fue as que se recurri a la resina poliestrica ( viene con un catalizador ); sta result ser bastante liviana, pero present un inconveniente en el momento de crear los moldes ( fabricados con caucho silicona ), ya que para lograr un espesor de labe pequeo se necesitaba de un sistema de llenado muy bueno. Al momento de sacar la turbina en resina sus labes resultaron incompletos, y lo que definitivamente puso las condiciones para descartar este sistema, fue la gran fragilidad de dicha resina, figura 3.1.

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Es conveniente anotar que no para todos los caudales el rea era variable, ya que, para cada dimetro de tubera hay un rango de caudal, hacia el infinito, en el que dicha tubera empieza a aparecer siempre totalmente llena.

Despus de la seleccin del mecanismo de medicin se realiz la construccin de tres clases de turbina: Francis, Kaplan y Pelton. Cada una se someti a diferentes flujos con el fin de observar su movimiento. Debido a los caudales tan pequeos con los que se necesita trabajar, las turbinas Francis y Kaplan no mostraron un buen desempeo, por tal efecto, se tom como turbina para el mecanismo, la Pelton. sta segn los ensayos mostr mejor desempeo, debido a que es una turbina de impulso, la turbulencia no la afecta tanto como a las otras turbinas, es de construccin sencilla, y lo que es mejor, para su funcionamiento no se necesita que la tubera est totalmente llena.

3.1 RGIMEN DE FLUJO PARA EL RANGO DE TRABAJO

En el captulo segundo se habl de los regmenes de flujo de fluidos en tuberas; en esta seccin se pretende caracterizar el rgimen de flujo para el rango de caudal a trabajar. Con lo estudiado y con los datos del problema se puede determinar con qu tipo de flujo se est trabajando. Los sensores o medidores de flujo se pondrn a operar con dos tipos de tubera 1/2 y con 1 . Consultando tablas se tiene que Para tubera 1 : Si se trabaja con 200 lt / min ( condicin mxima que se pretende ) se obtiene una velocidad del fluido de 3,5 m / s. Se sabe que para el agua a 17 C, = 0,001 N*s / m2, = 1000 Kg. / m3, = 3,5 m / s, luego con estos

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valores Re es aproximadamente igual a 111125. Esto indica que el flujo pasando a 200 lt / min es turbulento. Para tubera 1 / 2 : Trabajando con 60 lt /min se obtiene una velocidad del fluido de 0,45 m/ s; tomando los valores para agua se obtiene un Re de 5715. Indica que tambin es turbulento. Segn los resultados anteriores, los sensores van a estar sometidos a flujo en rgimen turbulento que de acuerdo con lo estudiado, este tipo de rgimen muestra un perfil de velocidades ms uniforme a travs del dimetro de la tubera que para rgimen laminar.

3.2 CARACTERSTICAS DEL SENSOR ESCOGIDO

Como se dijo anteriormente la turbina seleccionada para construir el sensor fue la Pelton debido a las ventajas ofrecidas. Despus de descartar turbinas y materiales se decidi emplear acrlico para construir la Pelton deseada. Este material, es muy liviano, es fcil de maquinar y para conseguir, y tuvo una resistencia buena a altas temperaturas ( fue sometido en agua a 92 C durante 50 minutos que es el equivalente a los minutos de una prctica de laboratorio). Es importante recalcar que la turbina que en el sensor se denomina una Pelton no es 100% igual, ya que la utilizada tiene labes rectos ( con el fin de disminuir al mximo su peso ) y no cucharas como la Pelton real, pero siguen compartiendo el hecho de ser denominadas turbinas de impulso, es decir, aprovechan solamente la energa cintica del fluido de trabajo.

32

3.2.1 Nmero de labes utilizado

Este es un factor que slo se le da la importancia que requiere al momento de hacer pruebas, las cuales son las que dan el veredicto final acerca de si funciona o no el sistema utilizado, independientemente de si el accesorio aparenta arrojar datos confiables. Para realizar pruebas de movimiento se construy una tarjeta que recibe seales provenientes de la turbina y las transforma en revoluciones por minuto de la misma, figura 3.2. Esta tarjeta est conformada, principalmente, por un microcontrolador PIC 16F84 de MICROCHIP que se encarga de recibir seales provenientes del sensor ( en forma de pulsos ) y pasarla a valores de r.p.m. Con esto se puede estudiar que tan homogneo es el giro de la turbina durante el paso del fluido a diferentes caudales con el fin de obtener grficas de comportamiento, Caudal Vs. r.p.m.

Figura 3.2 Fotografa tarjeta de lectura del sensor de flujoComo ltimo procedimiento, despus de estudiar las diferentes curvas de Caudal Vs. r.p.m. se saca una regresin ( observando cual es la ms lineal y para que rango de trabajo ) con la que se vuelve a programar el PIC para

33

relacionar los r.p.m. con valores de caudal que finalmente son enviados a un display. Se debe aclarar que la tarjeta posee un sensor de lectura condensado en un transistor de Efecto Hall, la cual funciona bajo la accin de campos magnticos. Para que la turbina mande seal a la tarjeta se le adapt un imn que produce un campo magntico.

3.2.1.1 Turbina de 4 labes

sta arroj los mejores resultados. Se procur que el ncleo de la misma fuera lo ms pequeo posible con el fin de disminuir la cantidad de material usado ( resultando de menor peso ); tambin se hicieron sus labes lo ms delgados y largos posibles, figura 3.2. De este tipo se construyeron dos turbinas, una para flujos grandes y otra para pequeos.

Figura 3.2 Fotografa de turbina de 4 labes 3.2.1.2 Turbina de 6 labes

Mostr buenos resultados, pero para caudales grandes. Es bastante til debido a que cuando est pasando el fluido por la tubera, la cual no est

34

siempre totalmente llena, necesita de longitudes de arco pequeas entre labe y labe para poder mantener una rotacin permanente. Es un poco ms pesada que la de 4 labes a iguales dimensiones, figura 3.3.

La turbina de seis labes presenta un inconveniente y es que su construccin es mucho ms compleja que la de cuatro, por tal motivo, presenta un gran desbalanceo. Durante la rotacin de turbinas tan pequeas sometidas a flujos pequeos, el desbalanceo es un fenmeno totalmente indeseable.

Figura 3.3 Fotografa de turbina de 6 labes

3.2.1.3 Turbina de 8 labes

ste tipo de turbina se esperaba mostrara mejores resultados. Es decir, todo indicaba que por la pequea longitud de arco entre labe y labe, mucho ms pequea que la de 6 labes, el fluido iba a tener un acople perfecto con dicha turbina. Pero en la prctica no ocurri as, debido a que, para flujos grandes difcilmente se mova ( rotacin irregular ), mucho menos para flujos

35

pequeos. La ltima modificacin realizada fue disminuirle el ncleo de soporte de los labes con el fin de hacerla ms liviana y sus labes quedaran ms largos; con esto se logr mejorar su movimiento, pero definitivamente su construccin es mucho ms compleja que la de las turbinas anteriormente mencionadas ( la 4 y la 6 labes ), figura 3.4.

Figura 3.4 Fotografa de turbina de 8 labes

3.2.2 Cubierta del sensor

Por lo general, los sensores de flujo demandan garantas en el llenado de la tubera, debido a esto, el mecanismo de contacto directo aparece ubicado en la parte superior o central de la tubera, as se construy inicialmente el sensor, figura 3.5. Realizando ensayos se pudo constatar que al rotar la posicin del mecanismo de contacto directo 180 grados, se poda garantizar la rotacin de la turbina y poder realizar mediciones de caudal en tubera que no estuvieran totalmente llenas, figura 3.6. La cubierta, como se puede apreciar en la figura 3.6, es una T comn y corriente ( encontrada en el mercado ).

36

3.2.3 Sistema de acople del sensor

Este sistema est conformado por la cubierta y por el dispositivo de accesorios integrado. Este ltimo est conformado por: turbina, transistor de Efecto Hall, tubera soporte, plug ( para enviar seal a la tarjeta ), cable apantallado, accesorios de sello ( para evitar humedad ), imn ( para la excitacin del transistor de Efecto Hall ), ver figura 3.7.

Envo de seal El fluido NO alcanza el mecanismo

Figura 3.5 Posicin de cubierta inicialmente pensado El fluido SI alcanza el mecanismo

Envo de seal Figura 3.6 Posicin de cubierta actualmente implementado

37

T Imn Accesorio para sello Turbina Tapa para sello

Transistor de Efecto Hall

Tubera soporte Plug

Cable apantallado para envo de seal

Figura 3.7 Sistema de acople del sensor

38

39

Luego de realizar pruebas con la tarjeta de lectura para diferentes caudales se sacaron curvas de r.p.m. de la turbina contra caudal y se observ que para algunos caudales, sobre todo para los ms pequeos, las lecturas de r.p.m. eran muy similares. Esto represent un gran problema porque de esta manera se haca imposible sacar una regresin que relacionara estas dos variables. Inicialmente se pens en que como se estaba probando con turbina de cuatro labes se podra presentar el caso que para caudales muy pequeos, la turbina no alcanzara a registrar una revolucin completa. Por ejemplo, tomando dos caudales Q1 y Q2, siendo Q1 mayor que Q2. El sistema de lectura tiene un tiempo base para contabilizar revoluciones ( 6 segundos ) y despus de este tiempo base desprecia los giros posteriores. Al pasar el caudal Q1, ste registra 9 vueltas y de vuelta, y al pasar el caudal Q2,, registra 9 vueltas y de vuelta. Si analizamos las dos rotaciones, en esencia son iguales, aunque en la realidad sean diferentes. Luego, el sistema de lectura como en ese momento no entenda de vueltas, entonces visualizaba r.p.m. iguales para rotaciones diferentes; induciendo esto una gran error. Este problema se pudo superar ubicando un imn en cada labe ( relacin 4:1 respecto al sistema anterior, figura 3.8 ), figura 3.9. As el sistema de lectura puede entender de vuelta y la regresin mejorara, cosa que ocurri en la realidad.

De los anteriores procesos se sacaron curvas que corroboraron el hecho.

Figura 3.8 Un imn No registra de vuelta

Figura 3.9 Cuatro imanes Si registra de vuelta

40

UN SOLO IMAN (Grafico 1) (Tomando todos los datos) Hz r.p.m. 0 10 20 30 40 46 50 56 60

Caudal(Lt/min) 0,00 216,00 241,30 340,69 401,74 431,82 486,67 495,00 520,83 0 13,42 37,28 56,95 77,73 90,72 92,52 93,49 103,43

Tabla 3.1 Para turbina de 4 labes y un imn (todos los datos)

UN SOLO IMAN (Grafico 2) (Descartando datos) Hz r.p.m. 0 10 20 30 40 46 50 56 60

Caudal(Lt/min) 0,00 213,30 240,00 338,33 395,88 436,67 483,75 491,90 518,33 0 13,42 37,28 56,95 77,73 90,72 92,52 93,49 103,43

Tabla 3.2 Para turbina de 4 labes y un imn (datos parciales)

41

UN SOLO IMAN (Grafico 3) (Tomando todos los datos) Hz r.p.m. 0 10 20 30 40 50 60

Caudal(Lt/min) 0,00 180,00 207,83 293,53 354,71 421,76 457,65 0 14,0967 41,2048 56,7721 79,7647 68 93,913

Tabla 3.3 Para turbina de 4 labes y un imn (todos los datos)UN SOLO IMAN (Grafico 4) (Descartando datos) Hz r.p.m. 0 10 20 30 40 50 60

Caudal(Lt/min) 0,00 180,00 212,86 290,77 354,62 418,67 457,65 0 14,0967 41,2048 56,7721 79,7647 68 93,913

Tabla 3.4 Para turbina de 4 labes y un imn (datos parciales)CUATRO IMANES (Grafico 5) (Tomando todos los datos de r.p.m y caudal) Hz r.p.m. Caudal(Lt/min) 0 0,00 0,00 10 668,00 13,35 15 715,00 26,21 20 871,33 37,07 25 970,74 47,64 30 1131,67 60,31 35 1240,19 68,76 40 1540,00 78,30 45 1680,00 83,69 50 1772,86 90,50 55 1853,46 93,22 60 1912,38 97,66

Tabla 3.5 Para turbina de 4 labes y cuatro imanes (todos los datos)

42

CUATRO IMANES (Grafico 6) (Descartando datos de r.p.m. y caudal ) Hz r.p.m. Caudal(Lt/min) 0 0,00 0,00 10 666,67 13,35 15 710,00 26,21 20 872,80 37,07 25 980,59 47,50 30 1134,14 57,48 35 1340,00 69,22 40 1542,63 78,64 45 1677,89 83,03

Tabla 3.6 Para turbina de 4 labes y cuatro imanes (datos parciales)

CUATRO IMANES (Grafico 7) (MAS ACEPTABLE) (Tomando todos los datos de caudal ) Hz r.p.m. 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Caudal(Lt/min) 0,00 0,00 666,67 13,35 710,00 26,21 872,80 37,07 980,59 47,64 1134,14 60,31 1340,00 68,76 1542,63 78,30 1677,89 83,69 1773,53 90,50 1860,00 93,22 1912,35 97,66

Tabla 3.7 Para turbina de 4 labes y cuatro imanes (todos los datos)

43

CUATRO IMANES (Grafico 8) (Tomando todos los datos de r.p.m ) Hz r.p.m. 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Caudal(Lt/min) 0,00 0,00 668,00 13,35 715,00 26,21 871,33 37,07 970,74 47,50 1131,67 57,48 1240,19 69,22 1540,00 78,64 1680,00 83,03 1772,86 89,17 1853,46 82,83 1912,38 95,25

Tabla 3.8 Para turbina de 4 labes y cuatro imanes (todos los datos)

44

Grafico 1. Caudal Vs. r.p.m. (Todo r.p.m. - Todo caudal - 1 iman)

120

100

80

Caudal (Lt/min)

60

40

20

0 0,00

100,00

200,00

300,00 r.p.m.

400,00

500,00

600,00

Figura 3.10 Para turbina de 4 labes y un imn (todos los datos)

45

Grafico 2. Caudal Vs. r.p.m. (Desc. r.p.m. - Todo caudal - 1 iman)

120

100

80

Caudal (Lt/min)

60

40

20

0 0,00

100,00

200,00

300,00 r.p.m.

400,00

500,00

600,00

Figura 3.11 Para turbina de 4 labes y un imn (datos parciales)

46

Grafico 3. Caudal Vs. r.p.m. (Todo r.p.m. - Todo caudal - 1 iman)

100 90 80 70 Caudal (Lt/min) 60 50 40 30 20 10 0 0,00

50,00

100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 500,00 r.p.m.

Figura 3.12 Para turbina de 4 labes y un imn (todos los datos)

47

Grafico 4. Caudal Vs. r.p.m. (Todo r.p.m. - Todo caudal - 1 iman)

100

90

80

70

60 Caudal (Lt/min)

50

40

30

20

10

0 0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00 r.p.m.

300,00

350,00

400,00

450,00

500,00

Figura 3.13 Para turbina de 4 labes y un imn (datos parciales)

48

Grafico 5. Caudal Vs. r.p.m. (Todo r.p.m. - Todo caudal - 4 imanes)

120,00

100,00

80,00

Caudal (Lt/min)

60,00

40,00

20,00

0,00 0,00

500,00

1000,00 r.p.m.

1500,00

2000,00

2500,00

Figura 3.14 Para turbina de 4 labes y cuatro imanes (todos los datos)

49

Grafico 6. Caudal Vs. r.p.m. (Desc. r.p.m. - Desc. caudal - 4 imnaes)

120,00

100,00

80,00

Caudal (Lt/min)

60,00

40,00

20,00

0,00 0,00

500,00

1000,00 r.p.m

1500,00

2000,00

2500,00

Figura 3.15 Para turbina de 4 labes y cuatro imanes (datos parciales)

50

Grafico 7. Caudal Vs. r.p.m. (Desc. r.p.m. - Todo caudal - 4 imanes) GRAFICA A UTILIZAR PARA REGRESION

120,00

100,00y = 0,0565x - 9,7146

80,00

Caudal (Lt/min)

60,00

40,00

20,00

0,00 0,00

500,00

1000,00 r.p.m.

1500,00

2000,00

2500,00

Figura 3.16 Para turbina de 4 labes y cuatro imanes (todos los datos)

51

Grafico 8. Caudal Vs. r.p.m. (Todo r.p.m. - Desc. caudal - 4 imnaes)

120,00

100,00

80,00

Caudal (Lt/min)

60,00

40,00

20,00

0,00 0,00

500,00

1000,00 r.p.m.

1500,00

2000,00

2500,00

Figura 3.17 Para turbina de 4 labes y cuatro imanes (todos los datos)

52

Figura 3.21 Fotografa del sensor y la tarjetade lectura

En la figura 3.16 se muestra la regresin utilizada para pasar de r.p.m. de la turbina a valor de caudal en Lt / min. El grfico se puede observar que esta es la curva que mejor relaciona estas dos variables.

En este proyecto se construyeron cuatro sensores de flujo: uno con turbina de 8 labes, otro con turbina de 6 labes y dos con turbinas de 4 labes ( uno grande y otro pequeo ). El acople sensor tarjeta de lectura puede verse en el figura 3.21.

En la prctica, los sensores con los que se est realizando mediciones poseen turbina Pelton de 4 labes.

53

3.2.4 Ventajas

Estos sensores permiten su desarrollo a menor costo que los del mercado. Estn sujetos a mejoras. Pueden asociarse con la tarjeta de adquisicin de datos (futura aplicacin), mencionada ms adelante, con el fin de enviar datos de caudal y temperatura al computador con propsitos estadsticos.

3.2.5 Desventajas

Estos estn diseados para trabajar en el rango de 1 a 200 lt / min, pero se ha observado que para caudales muy pequeos se presentan problemas. Se tiene la plena conviccin que si se construyen no tan artesanalmente las prdidas disminuirn considerablemente.

El sistema de rodadura es un pequeo eje de relojera que mostr poco rozamiento con el acrlico. A este sistema se le adecuaron unos bujes bastante imprecisos debido a la pequeez del eje.

54

SISTEMA DE ADQUISICIN DE DATOS (SAD)

4.1 DEFINICIN

La aplicacin de mtodos digitales en los procesos implica el desarrollo de un sistema electrnico que se encargue de llevar informacin de las variables del proceso al sistema digital que recibe los datos. Cuando se habla de la entrada de la informacin hacia del sistema digital, se refiere a adquisicin de datos.

Las seales que maneja un SAD pueden ser de dos tipos:

Seales digitales, las cuales pueden tomar dos estados (bajo o alto) y pueden ser usadas para determinar la presencia o ausencia de un evento (el paso de una persona, por ejemplo), cambio de posicin de un interruptor (abrir o cerrar una puerta, ejemplo tambin vlido).

Seales anlogas, que pueden tomar cualquier valor entre un mnimo y un mximo y que por lo general varan en el tiempo de acuerdo con las condiciones del proceso. Estas seales provienen, en la mayora de los casos, de sensores o transductores; tambin, en vez de recibirlas, se pueden enviar hacia un actuador.

La habilidad del sistema para preservar la exactitud e integridad de las seales originales que van desde o hacia el sistema digital es la principal medida de su calidad.

55

4.2 ELEMENTOS DEL SISTEMA

Un sistema de adquisicin de datos se compone bsicamente ( figura 4.1 ) de: Sensores o transductores Circuito de acondicionamiento de seales Circuito de muestreo y retencin Multiplexor analgico Conversores Anlogo - Digital (A/D) Conversores Digital - Anlogo (D/A) A continuacin se hace un estudio general de cada uno de estos subsistemas. Sensor Acondicionamiento de seal

Multiplexor analgico

Muestreo y retencin

Conversor A / D

Salida digital

Recepcin de datos Figura 4.1 Esquema general de un SAD

56

4.2.1 Sensores o transductores

Corresponde al primer elemento del sistema y es el que mide la magnitud de inters. Su funcin es la de convertir energa de una forma fsica que puede ser mecnica, trmica, magntica, etc. en una seal elctrica.

La cantidad de energa convertida por un transductor es pequea, de manera que hay que acondicionarla para adaptarla a la etapas posteriores.

Si la cantidad de energa convertida, y por ende, extrada del proceso, es muy grande, se podra perturbar el funcionamiento del proceso en forma indeseada.

4.2.2 Circuito de acondicionamiento de seales

Por lo general, los rangos de las seales entregadas por los transductores no estn acordes con los de las entradas que ofrece el SAD; e igualmente los niveles de tensin y de corriente que requieren los actuadores, en caso de haberlos, son mayores que los que est en capacidad de ofrecer un sistema de distribucin de seales (este proyecto no distribuye seales), por tanto, se hace imprescindible una etapa intermedia llamada acondicionamiento de seales. Este circuito se encarga de la amplificacin, filtrado y adaptacin de seales de los transductores al SAD. Dado que maneja slo seales elctricas, el acondicionador de seales constituye lo que se denomina una interfaz, la cual se encarga de garantizar que todas las seales de entrada tengan un rango dinmico similar, y las de salida se adapten a las necesidades del actuador.

57

4.2.3 Circuito de muestreo y retencin (Sampled and Hold)

Este circuito se encarga de tomar una muestra (Sample) y mantenerla (Hold) durante el tiempo que dura su conversin a cdigo digital.

Este se hace necesario siempre y cuando la seal de entrada sufra variaciones apreciables durante el tiempo que dura la conversin.

4.2.4 Multiplexor analgico

Este circuito acta como un interruptor rotatorio de varias posiciones que peridicamente selecciona una seal de entrada y la enruta al circuito de muestreo y retencin.

El proceso de muestreo involucra al multiplexor analgico y al circuito de muestreo y retencin (S&H).

4.2.5 Conversor Anlogo Digital (A/D)

Un conversor de este tipo es un dispositivo que recibe una entrada de voltaje Seal anloga

Seal digital

Tiempo

Figura 4.2 Seal digitalizada

58

Vent (puede variar desde cero hasta un valor mximo llamado Vref) y que entrega una palabra digital con una precisin y una resolucin dadas que se obtienen mediante la comparacin de dicha entrada con el voltaje de referencia Vref. La figura 4.2 muestra una seal digitalizada debido al conversor A / D. El proceso de conversin implica dos etapas: la cuantificacin de la seal y la codificacin de la misma.

Cuantificacin : consiste en representar la amplitud de la seal anloga mediante un nmero finito de valores distintos en un instante de tiempo determinado. Si el convertidor es de n bits, se pueden representar 2n estados; el error mximo cometido por el convertidor es la mitad de la distancia existente entre dos valores de salida, as: Emax = 0,5*Vref / 2n

Ec. (8)

Codificacin : es la representacin del valor asignado a la seal mediante combinaciones de estados lgicos altos y bajos. El voltaje anlogo medido es una fraccin del voltaje de referencia igual a la fraccin que forma el valor digital con respecto al valor binario mximo: Vent / Vref = valor digital de salida / 2n El valor digital de salida se expresa de la siguiente forma: b1*2n-1 + b2*2n-2 + b3*2n-3 + ...... + bn*20

Ec. (9)

Ec. (10)

de donde b1,b2,b3,...,bn corresponden a los bits de la palabra digital (siendo b1 el ms significativo).

59

Las principales especificaciones de los conversores A/D son:

Nmero de bits : es la longitud de bits de la palabra de salida. Voltaje de referencia : corresponde al valor mximo que puede tener el valor anlogo de entrada. Resolucin : corresponde al mnimo valor de voltaje en la entrada que causa una variacin en la salida digital. Resolucin = Vref / 2n

Ec. (11)

Tiempo de conversin : tiempo desde el comienzo hasta el final de la conversin. Tensin de alimentacin : algunos conversores A/D requieren una sola fuente, otros necesitan una dual. Seales de digitales de control : CS (conversin start), es un pulso que se enva al convertidor para indicarle un proceso de conversin; EOC (end of conversin), es un pulso que se origina del convertidor para avisar a la unidad externa que ya ha terminado el proceso de conversin.

Los conversores A/D ms conocidos considerando sus ventajas y su implementacin en una gran cantidad de sistemas son: el de tipo escalera, el de aproximaciones sucesivas y de voltaje a frecuencia.

Tipo escalera : este incorpora un convertidor digital analgico cuya salida se denota Vx. Inicialmente el valor de este voltaje es de cero, la salida del comparador est en alto y la compuerta AND deja pasar los pulsos del reloj al contador; cuando se activa el contador mediante la seal CS enviada por el circuito de control, suministra un valor digital binario que empieza en cero y se va incrementando en una unidad con cada pulso del reloj, figura 3.3. Este valor

60

digital pasa al convertidor D/A que entrega un voltaje Vx que aumenta en forma escalonada. Cuando el voltaje Vx supere el valor anlogo de entrada, la salida del comparador cambia de un valor lgico alto a uno bajo, por lo cual la compuerta AND no deja pasar ms pulsos al reloj del contador terminando as la conversin. AND Reloj Contador

Salida digital + Vx Conversor A/D Entrada anloga Figura 4.3 Conversor A/D tipo escalera

Para comenzar otra conversin se debe dar un reset al contador. Aproximaciones sucesivas : al igual que el anterior incorpora tambin un convertidor D/A. El circuito de control coloca un 1 en el bit ms significativo (MSB) b1 manteniendo los otros bits con el valor lgico cero. El convertidor D/A realiza la conversin y enva un valor de voltaje Vx al comparador, si el voltaje de entrada resulta mayor que el voltaje Vx el valor alto permanece como valor definitivo para el b1; pero si el voltaje Vent resulta menor que Vx entonces el circuito de control remueve el valor alto y coloca un cero que permanece como valor definitivo para b1, figura 4.4.

61 Entrada anloga Comparador Lgica de control Salida digital

Conversor D/A Figura 4.4 Conversor A/D de aproximaciones sucesivas Voltaje a frecuencia (V/F) : Este tipo de convertidores permite obtener una buena conversin a bajo costo y con una buena resolucin (puede ser superior a ocho bit).

El convertidor V/F entrega un tren de pulsos cuya frecuencia es proporcional al voltaje de entrada. La frecuencia F que entrega el contador es:

F = Kf * Vent

Ec. (12)

siendo Kf la constante del convertidor V/F. Si se cuentan esos pulsos durante un tiempo determinado, se obtiene un valor digital proporcional a su frecuencia y por consiguiente proporcional al valor anlogo de entrada. Este conteo se hace para una base de tiempo fija ts. El nmero de pulsos N que pasa al contador es:

N = F * ts

Ec. (13)

Algunos de estos convertidores entregan directamente cdigo BCD (Binario Codificado Decimal) para facilitar el uso del display.

62

4.2.6 Conversor Digital Anlogo (D/A)

Este dispositivo transforma un dato de entrada dado como una palabra binaria de n bits en un nivel de tensin proporcional a dicha palabra Vsal, que se ubica en un rango entre cero y el Vref. Debido a que se dispone de un nmero limitado de bits en la entrada, se dispone tambin de un nmero limitado de niveles anlogos en la salida del dispositivo, por lo cual la seal de salida ser anloga discreta.

La salida anloga es una fraccin del voltaje de referencia igual a la fraccin que forma el valor binario de entrada con respecto al valor binario mximo Vsal / Vref = valor digital de entrada / 2n

Ec. (14)

de donde el valor digital de entrada se puede expresar como en la Ec. (10). Las principales especificaciones de los conversores D/A son:

Nmero de bits : es la longitud en bits de la palabra de entrada al convertidor. Voltaje de referencia : es el valor mximo que puede alcanzar el voltaje anlogo de salida. Resolucin : es la variacin en voltios que experimenta el voltaje anlogo de salida al cambiar el bit menos significativo (LSB) del valor digital de entrada.

Resolucin = Vref / 2n

Ec. (15)

Tiempo de asentamiento (Setting time): es el tiempo que transcurre desde el momento en que se produce un cambio en la entrada que involucre al dgito ms significativo hasta el momento en que la salida se estabiliza en un nuevo valor.

63

Tensin de alimentacin : algunos conversores D/A requieren de una fuente simple, en cambio otros necesitan una dual. Voltaje de desplazamiento (offset) : algunos conversores presentan un voltaje de desplazamiento cuando la entrada digital es nula, debido al amplificador operacional que se encuentra en su salida; por ello generalmente existen terminales para compensacin de voltaje de desplazamiento.

Los principales tipos de conversores D/A son:

Conversor con red de resistencias R 2R : utiliza un sumador con tantos canales de entrada como bit posee el convertidor y cada uno de ellos es seleccionado por el valor del bit correspondiente. ste usa un amplificador operacional para obtener en la salida una seal de voltaje proporcional al nivel de corriente de su entrada. Este convertidor puede presentar problemas debido a la precisin de las resistencias. Conversor de resistencias ponderadas : consta de una red de resistencia en la que la corriente que circula por cada resistencia es la mitad de la corriente que circulara por la resistencia correspondiente al bit inmediatamente superior. Cada resistencia proporciona una corriente con un valor determinado que se suma con las contribuciones de corriente de las otras resistencias en la entrada del amplificador operacional, el cual entrega un nivel en su salida proporcional a la suma de corrientes. Conversor por modulacin de ancho de pulso : primero se convierte el dato de n bits de entrada en una serie de pulsos con un determinado ancho. Se usa un comparador con dos canales de n bits, uno de los cuales es el cdigo binario de entrada y el otro es el valor binario de un contador interno de n bits, el cual est aumentando su cuenta gracias a un oscilador y cuando las dos entradas del comparador son iguales el comparador bascula

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su salida y el proceso vuelve a empezar basculando de nuevo la salida al finalizar, con lo cual se obtiene un tren de pulsos con una ancho determinado por el tiempo en que el reloj alcanza el dato de entrada.

Despus de un tren de pulsos se pasa a travs de un filtro pasabajos y se obtiene la seal de salida del convertidor.

La principal desventaja de este convertidor es el nmero elevado de pasos que se debe realizar.

4.3 PARMETROS CARACTERSTICOS DE UN SAD

Las caractersticas ms sobresalientes para evaluar la configuracin de un sistema de adquisicin de datos son:

El nmero de canales analgicos y digitales de entrada y salida. Exactitud : este parmetro involucra la resolucin, la cual indica la desviacin de la medida respecto al valor real. Debe englobar los efectos de la resolucin de los conversores y los diferentes errores de linealidad, offset y ganancia de todos los elementos del sistema. Velocidad de muestreo : est dada por el tiempo entre dos lecturas consecutivas de una misma variable. ste depende de: el tiempo que necesite el multiplexor para seleccionar y conectar el canal, el tiempo que necesite el conversor A/D para realizar la conversin, el tiempo que tarde la comunicacin con el microprocesador, el tiempo promedio que tarda el microprocesador en procesar cada variable y el nmero de variables muestreadas.

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4.4 CLASIFICACIN DE LOS SADs

Existen diversas clasificaciones de los SADs. stas dependen de : su arquitectura, tipo de bus a que estn conectados, etc. En esta seccin slo se dar la clasificacin de acuerdo con el tipo de bus usado.

Basado en bus externo :

estos sistemas estn formados por varios

instrumentos interconectados a travs de algn bus, como puede ser el: GIPB, VXI, etc. En estos sistemas el ordenador acta como controlador del sistema; ste se encarga de gestionar todas las operaciones que se realizan en el BUS. Basado en bus interno : Estos consisten en tarjetas de adquisicin de datos que se conectan al bus del sistema a travs de uno de los slots de expansin de la tarjeta madre. Circuitos integrados de adquisicin de datos : tiene circuitos integrados que incorporan la mayor parte de los subsistemas necesarios para realizar la adquisicin de las seales analgicas (amplificador,

multiplexor, filtros, S&H, conversores A/D, conversores D/A, timers, etc.).

4.5 ERRORES QUE SE PRESENTAN EN LA DIGITALIZACIN DE SEALES

Muestreo : Una seal anloga se muestrea observando y memorizando su amplitud instantnea a intervalos regulares e ignorndola el resto del tiempo, figura 3.2. La velocidad a la cual se realiza la actualizacin de las muestras se denomina rata o frecuencia de muestreo (Fs). El teorema de Nyquist dice que la rata de muestreo del sistema debe ser mayor que dos veces la

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componente de ms alta frecuencia presente en las seales de entrada multiplicada por el nmero de canales anlogos. Fs 2 * Fc * N

Ec. (15)

El uso de una frecuencia de muestreo inferior a la establecida por el criterio de Nyquist cusa prdida de informacin debido a que el nmero de muestras por ciclo resultante es insuficiente para reconstruir todas las seales de entrada; esta condicin se denomina submuestreo o error de aliasing. El error promedio de muestreo se obtiene comparando el rea bajo la curva de un semiciclo de la seal reconstruida con el rea bajo la curva del semiciclo de la seal original.

Ruido : Debido a la interferencia electromagntica, las seales que van desde los transductores hasta el microprocesador puede presentar ruido, la cual origina errores en los datos muestreados. Este factor es muy importante cuando se trabaja en ambientes industriales debido a que puede afectar severamente el control de los procesos.

Alinealidad : Los conversores A/D y D/A presentan un error de Alinealidad del voltaje de entrada y el cdigo de salida. Este error se obtiene de la diferencia del valor que entrega el conversor y la lnea recta ideal. La nica forma de evitar este error es utilizando conversores de alta calidad. En muchas ocasiones el comportamiento del transductor el no lineal. Esta caracterstica se puede corregir por software, con el programa de control, o por hardware, mediante circuitos que contienen linealizadores como extractores de raiz cuadrada, amplificadores logartmicos, etc.

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5. SENSORES DE TEMPERATURA

El conocimiento y seleccin apropiada de los elementos de instrumentacin industrial es un factor muy importante en el desarrollo de cualquier proceso donde se haga estudio de variables, y ms, si se realiza un proceso de control y automatizacin. La calidad de los instrumentos utilizados y el conocimiento de las condiciones de operacin son factores que afectan en gran medida el desempeo del sistema que se implemente. En el captulo 3 se habl acerca de las tarjetas de adquisicin de datos, las cuales se encargan de tomar seales provenientes de sensores o transductores y hacerle una serie de acondicionamientos, con el fin de que los dispositivos posteriores puedan entenderlas. En este captulo se pretende mostrar una aplicacin del SADs con sensores de temperatura.

5.1 CARACTERSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS

Antes de empezar con la aplicacin de las SADs es necesario conocer los parmetros ms relevantes con los que debe cumplir un instrumento de medida :

Precisin : es la tolerancia de medida del instrumento y define los lmites del error cuando ste se emplea en condiciones normales de servicio. Generalmente se da en unidades de la variable medida. Resolucin : se refiere al cambio ms pequeo que puede detectar el instrumento. Repetibilidad : es la habilidad del instrumento para mostrar la misma indicacin (Vm) cuando se presente el mismo valor (Vr). Se da en porcentaje.

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Sensibilidad : es la relacin entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que la ocasiona; si la sensibilidad es grande en todo el rango se dice que el transductor es lineal. Rango : es el intervalo de valores de la variable de entrada que se puede medir. Alcance : es la diferencia entre el valor mximo y el valor mnimo que se puede medir. Histresis : es la diferencia mxima que se observa en los valores indicados por el instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente.

5.2 SENSORES DE TEMPERATURA

En

la industria, la medida de la temperatura constituye uno de los

procedimientos ms comunes y de mayor importancia. En el mercado se puede encontrar una gran variedad de sensores o transductores de temperatura, entre ellos se pueden mencionar : termmetro de vidrio, termmetro bimetlico, termmetro de bulbo y capilar, termmetro de resistencia, termistor, termopar y pirmetro de radiacin, entre otros. A continuacin se explica brevemente el principio de funcionamiento de los transductores de temperatura cuya seal puede ser fcilmente digitalizada. Punto importante si se sabe que en muchas ocasiones es ms ventajoso tomar los datos obtenidos y enviarlos a un computador para graficarlos en lugar de mostrarlos en un display. Termopar : su funcionamiento se basa en el efecto Seebeck, es decir, al unir dos alambres de diferente metal, por un extremo, dejando las otras dos puntas libres. Luego, si los extremos unidos estn a una temperatura (T1) diferente a la temperatura (T2) de los extremos libres, se genera entre

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estos dos ltimos una diferencia de potencial (e) que depende de los materiales empleados en los dos alambres y la diferencia de temperatura. Termistor : es un elemento semiconductor en el que pequeos cambios de temperatura ocasionan cambios muy grandes en la resistencia elctrica, la cual disminuye al aumentar la temperatura. Debido a lo anterior, ste es un dispositivo de alta sensibilidad. El tiempo de servicio es un factor que afecta la respuesta de este tipo de sensores, con la cual va cambiando el porcentaje de aumento de la resistencia. Este efecto se conoce como envejecimiento. Detector resistivo : su sistema de funcionamiento es bastante parecido al del Termistor, la nica diferencia es que tiene un coeficiente de variacin de la resistencia positivo, es decir, que su resistencia aumenta al aumentar la temperatura, y adicionalmente esta relacin es lineal. Circuito integrado : es de tamao reducido y se encuentra en diferentes tipos de encapsulado: metlico, plstico, montaje superficial, etc. Su principio de funcionamiento se deriva de la influencia que ejerce la temperatura sobre las caractersticas elctricas de los semiconductores. La salida es lineal con la temperatura. Son fciles de usar debido a que no requieren una gran cantidad de dispositivos externos para su operacin y los rangos de salida dan buena inmunidad al ruido.

5.3 TIPO DE SENSOR UTILIZADO

Para

el siguiente trabajo se utilizar el sensor integrado LM35. ste es

barato, slo necesita una etapa de amplificacin, contrario al termopar que necesita mayor amplificacin debido al valor de voltaje tan pequeo que enva. Adems, los rangos de temperatura trabajados en el laboratorio estn dentro del rango para el cual estn diseados los LM35.

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5.4 CONFORMACIN DE LA TARJETA ( SADs ) PARA SENSORES DE TEMPERATURA

Debido a la necesidad que se tiene en algunas ocasiones de visualizar valores de temperatura en diferentes posiciones de una mquina trmica, o a veces, enviar esos mismos valores a un computador a intervalos de tiempo demasiado pequeos, se ha planteado una solucin con el fin de suplir tales necesidades. La solucin viene con el diseo de una tarjeta que recibe 5 seales anlogas de temperatura y las procesa en dos modalidades: visualizacin en un display y envo serial al computador. La tarjeta viene conformada por varias etapas.

5.4.1 Etapa de acondicionamiento

sta etapa est conformada en subetapas de amplificacin no inversoras, es decir, cada una de ellas recibe una seal anloga de temperatura del orden de los milivoltios y la pasa al rango de 0 a 5 V ( valores TTL para que los pueda entender el microcontrolador ). Dependiendo de los voltajes de alimentacin de los amplificadores, el rango de amplificacin puede ser cambiado ( en futura aplicacin donde se necesite de 0 a 24 V ) mediante la manipulacin de potencimetros de precisin contenidos en la tarjeta, figura 5.1.

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Figura 5.1 Fotografia etapa de acondicionamiento

5.4.2 Tarjeta principal

Esta etapa contiene inicialmente un microcontrolador PIC 16C74B de MICROCHIP la cual se encarga de procesar toda la informacin proveniente de la tarjeta de acondicionamiento. El PIC tiene un algoritmo que recibe seales anlogas de temperatura y las procesa envindolas al PC o a un display para ser interpretada por el usuario. El valor de temperatura puede ser expresado en grados Celsius o en grados Fahrenheit. Esta misma etapa contiene una subetapa para realizar comunicacin serial mediante el chip MAX232 y otra subetapa de acondicionamiento para enviar datos a un display de 7 segmentos, figura 5.2.

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Figura 5.2 fotografa tarjeta principal con las subetapas

5.4.3 Etapa de visualizacin

Esta es la etapa ms sencilla y simplemente contiene una configuracin triple de displays dobles de 7 segmentos, las cuales reciben seal de la tarjeta principal para visualizar temperaturas ya sean en grados Celsius o en grados Fahrenheit, figura 5.3.

Figura 5.3 Fotografia etapa de visualizacion

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La tarjeta completa permite realizar tres tareas opcionales :

Modo slo display : en este caso, la tarjeta recibe las seales de temperatura, les aplica una regresin y finalmente muestra el resultado de

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la regresin en un display, nicamente. En este modo la temperatura se visualiza en grados Celsius o Fahrenheit, dependiendo de lo deseado, ver en figura 5.4 la configuracin de los suiches. Modo slo serial : en esta seleccin, la tarjeta recibe las seales de temperatura y enva los resultados al computador va puerto serial, nicamente, ver en la figura 5.5 la configuracin de los suiches. Modo display y serial : si se escoge esta opcin se combinan las dos anteriores. Es decir, en un momento dado est visualizando la temperatura en el displays y casi simultneamente, se envan serialmente al computador. Es importante anotar que el display slo est en capacidad de visualizar una temperatura a la vez, ver en la figura 5.6 la configuracin de los suiches.

Figura 5.4 Fotografa de la tarjeta mostrando modo solo display

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Figura 5.5 Fotografa de la tarjeta mostrando modo solo serial

Figura 5.6 Fotografa de la tarjeta mostrando modo display y serial 5.4.1 Ventajas

Esta tarjeta ofrece la ventaja de ser porttil, algo semejante al lector de termocuplas, en el cual se conecta la termocupla tipo J o K y el lector arroja el valor de la temperatura medida en un display. La ventaja de la tarjeta es

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que sta puede tomar lecturas de 5 temperaturas sin necesidad de estar conectando y desconectando los sensores como ocurre con el lector (slo puede leer una temperatura al tiempo). Se hace nfasis en que la tarjeta puede visualizar una temperatura a la vez, pero constantemente est haciendo la lectura de las 5 temperaturas, excepto en el modo de slo display.

La tarjeta est compuesta por mdulos : acondicionamiento, sistema de lectura, comunicacin serial, es decir, los mdulos no se han integrado con el fin de realizar futuras aplicaciones. Por ejemplo, actualmente se trabaja con sensores LM35 que entregan 10 mV por cada grado Celsius; en caso que se quiera tomar lecturas de termocuplas ste arrojara un error, en caso de integrar los mdulos, debido a que las termocuplas y los LM35 necesitan ganancias diferentes para alcanzar los 5 V. Luego, si a 50 por ejemplo, el C, LM35 entrega 500 mV, la termocupla entrega un valor mucho menor; ahora, cuando pasa por el mdulo de acondicionamiento, la seal proveniente del LM35 entregara alrededor de 2,5 V mientras que la de la termocupla no alcanzara este rango. Finalmente, el conversor A/D recibe cada seal y arrojara un error para la lectura de la termocupla, debido a que la ganancia fue realizada para los LM35. Anlogamente, si se calcula una ganancia para seal de termocupla puede ocurrir un dao en el sistema. ste consiste en que como la seal LM35 es mayor que la de la termocupla, por haberse realizado el acondicionamiento para una seal ms pequea, la ganancia es mayor que antes; la consecuencia de esto es que la amplificacin sobre el LM35 arrojar ms de 5 V, fatal para el microcontrolador.

Otra ventaja de la tarjeta es que permite visualizar valores de temperatura en un display (muy cmodo para el usuario que simplemente desea conocer como se est comportando cierto proceso), y adems, si se desea, puede enviar los datos serialmente a un computador (bastante til para estudiantes

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que requieren hacer un seguimiento completo a un proceso) para sacar estadsticas.

La tarjeta es susceptible de modificaciones (es lo ideal) con el fin de mejorarla. ste es tal vez el punto ms importante en este proyecto, debido a que lo importante en los proyectos realizados por la universidad es que se estn realizando constantemente mejoras para retardar la llegada de la inminente obsolescencia.

Actualmente se est realizando un proyecto de grado para trabajar con sensores de presin. La tarjeta puede ser habilitada ms adelante para que reciba seales de presin logrando as un sistema ms integrado de lectura en procesos en donde presin y temperatura juegan un papel preponderante.

5.4.2 Desventajas

Debido a que la tarjeta no est integrada (ya se vio el por qu de su ventaja) hace que la velocidad de lectura se disminuya, aunque segn las proyecciones, las exigencias futuras no se vern afectadas de manera considerable.

Por otra parte, se hace hincapi, en que si se fuera a realizar control en procesos de alta precisin, la tarjeta se encontrara en serios problemas de restriccin, es decir, la velocidad con la que se muestrea es muy baja y por tanto el sistema reacciona lento.

El sistema de filtrado es demasiado sencillo (entre las proyecciones est en que no va a afectar considerablemente la lectura) y en caso de ponerla a

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trabajar en ambientes sumamente contaminados por ruido podra arrojar muchos errores.

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6. SENSORES DE FLUJO : MODO DE UTILIZACIN Y FUTURAS MODIFICACIONES

6.1 CUIDADOS PARA USAR EL SENSOR DE FLUJO

Para la manipulacin de los sensores es necesario tener ciertos cuidados. Una parte del sensor va a estar constantemente en la red de la tubera y una tapa impedir que cuando no se est utilizando el sensor salga agua por dicho lugar. Es conveniente que esto permanezca tapado.

Se recomienda que el sensor despus de utilizado se saque de la cubierta y se seque.

Evite quitar los imanes ubicados en los labes de la turbina, stos son de vital importancia en el funcionamiento del sensor.

Al momento de realizar medidas de caudal haga lo siguiente:

Tome el sensor e introdzcalo en la cubierta teniendo cuidado de colocarlo de acuerdo con el pasador de posicin. l sensor entra fcilmente, as que no hay que forzarlo, esto podra provocar el quiebre de la turbina. Gire la tapa de ajuste para evitar fugas durante la medicin. Conecte el cable apantallado tanto al sensor como al sistema de lectura. Alimente con 5 V ( no exceder este valor ) el sistema de lectura. Escoja la unidad de medida oprimiendo el botn indicado.

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6.2 MODO EN QUE REALIZA INTERNAMENTE LA MEDICIN

El sistema de lectura est basado en el uso del microcontrolador PIC 16F84 de MICROCHIP. ste dispositivo tiene 13 puertos I/O de los cuales 12 se usan para visualizar en el display y uno para realizar el cambio de unidades (litros por minutos o galones por minutos). En general se puede decir que un PIC es como una pequea computadora que se programa para que realice una determinada tarea. Este PIC maneja interrupciones, de las cuales se estn usando dos : una por pin externo y otra por rebose del temporizador.

Interrupcin por pin externo : el microcontrolador empieza a realizar el algoritmo programado y cuando por el pin RB0/INT ocurre un cambio, ya sea de alto a bajo o viceversa, el PIC suspende el algoritmo inicial y se pone a realizar otro. Este otro algoritmo es el que cuenta giros de la turbina. En el programa de adelante se ver ms claramente de que se est hablando. Como inicialmente se van a medir r.p.m. ( como cada labe tiene un imn los r.p.m. aparecen cuadruplicados ), se sabe que si se miden

revoluciones durante 6 segundos y lo multiplico por 10, entonces se obtienen r.p.m. Interrupcin por rebose del temporizador : sta ocurre cuando un registro llamado TMR0 se rebosa (de 0 a 255 o viceversa). El rebose ocurre porque con cada ciclo de instruccin el registro se va incrementando o decrementando en una unidad. Esta es la interrupcin para realizar la temporizacin de los 6 segundos.

La rutina general del PIC es la de llenar un registro (interrupciones debido al giro de la turbina) y asociarlo con un valor de caudal, la cual se ha determinado previamente mediante la obtencin de curvas Caudal Vs. r.p.m.

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Si se analiza bien el programa se le pueden realizar modificaciones para aumentar las funciones del programa, por ejemplo: mostrar el caudal es ms de dos unidades, realizar comunicacin serial etc.

La siguiente es la rutina para realizar la medicin de caudal de agua. sta utiliza interrupcin por pin externo y por tmr0.

Se realiza una regresin lineal para relacionar CAUDAL y RPM. La regresin es: CAUDAL = 0,056*RPM - 9,7. Para la tarea se uso el microcontrolador PIC 16f84. NOTA: El programa para el microcontrolador puede ser realizado en lenguaje ensamblador MPASM del MPLab o en lenguaje C propio de

microcontroladores MPC que trabaja tambin con el MPLab.

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7. TARJETA SAD PARA SENSORES DE TEMPERATURA : MODO DE UTILIZACIN Y FUTURAS MODIFICACIONES

7.1 CUIDADOS PARA USAR LA TARJETA

La tarjeta para realizar adquisicin de datos est basada en la tecnologa del microcontrolador PIC 16C74B de MICROCHIP. Este est contiene 33 puertos I/O, maneja comunicacin serial, posee conversor A/D de 8 canales a 8 bits. ste es de mayor capacidad que el utilizado para los sensores de flujo.

Por otra parte, es importante saber que el circuito del microcontrolador debe ser alimentado con 5 V (no se debe exceder este valor) al igual que el mdulo para realizar la comunicacin serial. En cambio, para el mdulo de acondicionamiento se hace necesario tener una fuente dual: +10 V y 10 V. Para utilizarlo se deben seguir los siguientes pasos:

Conectar los sensores por los que se van a tomar lecturas. Tener cuidado que no vayan a estar en corto, esto ocurre frecuentemente con conectores de mala calidad.

Verificar que el pin RA4/TOCKI est en alto para visualizar en que modo se va a trabajar.

Escoger entre las tres operaciones posibles de manipulacin del algoritmo.

Activar la temperatura que se quiere visualizar, en caso de estar con modo display. Si se activan todas, la tarjeta visualizar todas a intervalos muy pequeos de tiempo, por tal efecto, es recomendable visualizar una a la vez. Alimentar la tarjeta con los voltajes correspondientes

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7.2 FUNCIONAMIENTO INTERNO DE LA TARJETA

El algoritmo de trabajo es bastante parecido al de los sensores de flujo con la diferencia de que ac se realiza conversin A/D y comunicacin serial, ambos implementados en el PIC desde la fbrica. Inicialmente el PIC recibe seales anlogas de temperatura, ste realiza la conversin A/D y la enva a un registro. ste ltimo es enviado a una rutina para pasarlo a valor de temperatura (se usa una regresin). Posteriormente, dependiendo del modo de operacin, el PIC muestra la temperatura (en Celsius o Fahrenheit) y/o la enva serialmente al computador. En la tarjeta se pueden encontrar una serie de suiches para escoger unidad de la temperatura, otros para seleccionar las temperaturas y otro para visualizar el modo de trabajo. Ms adelante aparece la rutina del microcontrolador. La siguiente es la rutina para realizar la adquisicin de datos por parte del SAD

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8. SOFTWARE PARA PROGRAMAR MICROCONTROLADORES PIC

Los microcontroladores PIC con los que se realizaron las tarjetas son de la fbrica MICROCHIP. Dependiendo de la tarea que se les va a asignar stos deben ser programados con un algoritmo propio de la tarea que va a realizar.

De fbrica, ellos vienen sin ningn tipo de algoritmo grabado. Para realizar la programacin de los PICs se utiliza el software MPLAB, el cual ofrece varias

Figura 8.1 Ventana de inicio del MPLAB

herramientas para la simulacin del algoritmos antes de grabarlos, figura 8.1. ste es un punto importante si se tiene en cuenta que hay PICs que slo

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admiten una grabacin; en caso de quedar mal el algoritmo habra que desechar el chip.

Figura 8.2 Opcin para crear un programa

Para empezar a elaborar un programa se le da la opcin New Source del men File, figura 8.2.

Figura 8.3 Opcin para definir procesador

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Debido a que hay diferentes tipos de PICs se debe escoger el tipo con el cual se va a trabajar. Para esto se escoge la opcin Development Mode, del men Options, figura 8.3. Enseguida el software despliega una ventana para escoger el tipo de procesador ( tipo de PIC ), figura 8.4.

Figura 8.4 Ventana indicando tipo de procesador escogido

Figura 8.5 Opcin para salvar el programa fuente

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Luego de escoger las opciones preliminares se empieza a escribir el algoritmo; posteriormente se debe salvar con un nombre fcil de reconocer, para esto se escoge la opcin Save As, del men File, figura 8.5. El software despliega ventana para ingresar el nombre del programa o algoritmo, figura 8.6.

Figura 8.6 Ventana para dar nombre al programa

Figura 8.7 Opcin para crear un proyecto

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Cuando ya se ha salvado el programa se procede a crear un proyecto; ste ltimo contiene informacin de archivos de: error, estmulos, ventanas etc.

Para esto se escoge la opcin New Project, del men Project, figura 8.7.

Figura 8.8 Ventana para dar nombre al proyecto

Figura 8.9 Ventana adicionar programa(s) fuente al proyecto

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El software despliega ventana para escoger nombre del proyecto, figura 8.8. Despus de aceptar se abre otra ventana para escoger el nombre del programa fuente (el mismo que se cre al principio); este paso es importante

Figura 8.10 Opcin para compilar el proyecto

Debido a que hay proyectos que pueden tener ms de un programa fuente.

En caso de haber varios programas se deben adicionar los diferentes nombres, figura 8.9. Para las tarjetas construidas slo se tiene un programa fuente.

El proceso final es la compilacin del proyecto con el fin de saber si se tienen errores sintcticos (errores en escritura); para esto se escoge la opcin Make Project (cuando se tiene un programa fuente) o Buid All (cuando se tienen varios programas fuentes), ambos en el men Project, figura 8.10.

Al final, el software despliega una ventana indicado si la compilacin fue exitosa o no, figura 8.11; en caso de no serlo, aparecen los errores y las

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lneas en donde se encuentran. Despus de corregirlos se debe reiniciar la compilacin. Es importante recalcar que el software slo corrige errores sintcticos; los errores de algoritmo estn bajo la responsabilidad de la persona que va a programar.

Figura 8.11 Ventana indicando xito en la compilacin

Figura 8.12 Opcin para activar programador

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Cuando la compilacin es exitosa y se sabe ( debe se 100% en caso de usarse PIC de una sola grabacin) que no hay errores de algoritmo,

entonces se puede proceder a programar el PIC. Esta tarea la realiza un programador Picstart Plus de MICROCHIP que se conecta al puerto serial (por defecto es el Comm1, pero se puede reconfigurar en software). La activacin se realiza ejecutando la opcin Enable Programmer del men Picstart Plus, figura 8.12.

Es conveniente hacer saber que los PICs se pueden programar usando lenguaje ensamblador, cuyos archivos fuentes quedan con la extensin *. asm o usando lenguaje C propio de PIC, en cuyo caso la extensin es *.C.

La primera opcin se puede realizar con el slo MPLAB, pero la segunda necesita del MPC para asociarlo con el MPLAB. Para mayor informacin se deben consultar los catlogos del MPLAB y del MPC.

94

9.

CONCLUSIONES

Con el anterior proyecto, fabricacin de sensores de flujo y temperatura, se pudo constatar que dentro de la universidad se pueden realizar diferentes proyectos bastante buenos.

Con respecto a los sensores de flujo, se puede observar un gran avance, pero definitivamente hay mucho por mejorar. Este proyecto puede perfeccionarse ms con el fin de obtener mediciones todava ms precisas; para tal efecto, se necesita fabricar accesorios con muy buenos acabados. Adems, explorando otros materiales los resultados podran ser mejores.

La tarjeta para los sensores de temperatura ofrece comodidades en el momento de realizar toma de datos, pero puede ser mejorada respecto al filtrado de la seal, ya que actualmente tiene un filtro supersencillo la deja pasar un poco de ruido ( para las condiciones de diseo esto no afecta ) que para futuras aplicaciones sera un problema.

Los dispositivos anteriormente construidos necesitan de cuidados con el fin de evitar su avera. Es muy importante tener esto en cuenta.

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APNDICE A

ALGORITMO PARA REALIZAR MEDICIN DE CAUDALESESPECIFICACIONES DEL PROCESADOR #pragma option v; #pragma __CONFIG @ 0x2007 = 0x3FF9; ASIGNACIN DE LIBRERAS PROPIAS DEL MPC #include #include #include ASIGNACIN DE FUNCIONES Y VARIABLES DE TRABAJO int vueltas; int temporizador_1; int decimales; int unidades; int decenas; int centenas; void handle_EXTERN(); void handle_TMR0(); int funcion(int num); RUTINA QUE ADMINISTRA LAS INTERRUPCIONES void __INT(void) { SaveContext();

if (INTCON.INTF) { INTCON.INTF = 0; handle_EXTERN(); }

if (INTCON.T0IF) { INTCON.T0IF = 0; temporizador_1 += 1;

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if (temporizador_1 > 0x5A) { handle_TMR0(); } }

RestoreContext(); } RUTINA PRINCIPAL PARA MANIOBRAR DISPLAY'S void main() {

OPTION = 0x87; INTCON = 0xB0; TRISB = 1; TRISA = 0x10; PORTB = 0; PORTA = 0; centenas = 17; decenas = 10; unidades = 18; decimales = 19; temporizador_1 = 0; TMR0 = 0; vueltas = 0;

while(1) {

PORTA = 0x08; PORTB = funcion(decimales); Delay_Ms_4MHz(5); if (temporizador_1 > 0x5A) { temporizador_1 = 0; }

PORTA = 0x04; PORTB = funcion(unidades); Delay_Ms_4MHz(5); if (temporizador_1 > 0x5A) { temporizador_1 = 0;

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}

PORTA = 0x02; PORTB = funcion(decenas); Delay_Ms_4MHz(5); if (temporizador_1 > 0x5A) { temporizador_1 = 0; }

PORTA = 0x01; PORTB = funcion(centenas); Delay_Ms_4MHz(5); if (temporizador_1 > 0x5A) { temporizador_1 = 0; } } } CADA VEZ QUE PASA UN IMAN MARCA void handle_EXTERN() { vueltas += 1; } REALIZA LA REGRESIN DESPUS DE 6 SG void handle_TMR0() {

Esta rutina realiza la regresin " Caudal = 0,056*RPM - 9,7 "

int vuelta1,vuelta2,temporal1,temporal2,uno_temp; int temporalent,temporaldec;

temporal1 = vueltas/100; if (temporal1 == 0) { temporal2 = vueltas/10; temporalent = vueltas%10; } else { temporalent = vueltas%100; temporal2 = temporalent/10;

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temporalent = temporalent%10; }

temporal1 = temporal1*10; vuelta1 = temporal1 + temporal2; vuelta2 = temporalent;

if (vuelta1 > 25) { centenas = 10; decenas = 11; unidades = 12; decimales = 13; //L //i //m //S

} else { if (vuelta1 < 7) {

if (vuelta1 == 0) { if (vuelta2 == 0) { centenas = 17; decenas = 10; unidades = 18; decimales = 19; } } else { centenas = 10; decenas = 11; unidades = 12; decimales = 14; } } else { //L //i //m //I //F //L //U //J

temporal1 = vuelta1*5; temporal2 = vuelta1*6; temporal2 = temporal2/10;

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temporaldec = vuelta1*6; temporaldec = temporaldec%10; temporaldec = temporaldec*10; temporalent = temporal2+temporal1; temporal1 = vuelta2*5; vuelta1 = temporal1%10; vuelta1 = vuelta1*10; temporal1 = temporal1/10;

if (temporal1 > 0) { temporalent = temporalent + temporal1; }

temporaldec = temporaldec + vuelta1; temporal1 = vuelta2*6; temporaldec = temporaldec + temporal1; temporal1 = temporaldec/100;

if (temporal1 > 0) { temporalent = temporalent + temporal1; temporaldec = temporaldec%100; } temporalent = temporalent - 9; if (temporaldec < 70) { temporalent = temporalent - 1; temporaldec = 30 + temporaldec; } else { temporaldec = temporaldec - 70; }

centenas = temporalent/100; if (centenas > 0) { uno_temp = centenas*100; temporalent = temporalent-uno_temp; } else { centenas = 15;

100

} decenas = temporalent/10; unidades = temporalent%10; decimales = temporaldec/10; } }

vueltas = 0; vuelta1 = 0; vuelta2 = 0; temporal1 = 0; temporal2 = 0; } FUNCION PARA CARGAR ENCENDIDO DE LEDS int funcion(int num) { int value; switch (num) { case 0: value = 0xBE; break; case 1: value = 0x12; break; case 2: value = 0x7C; break; case 3: value = 0x76; break; case 4: value = 0xD2; break; case 5: value = 0xE6; break; case 6: value = 0xEE; break; case 7: value = 0x32; break; case 8: value = 0xFE; break; case 9: value = 0xF6; break; case 10: value = 0x8C; break; case 11: value = 0x08; break; case 12: value = 0x4A; // "m" // "i" // Para la "L" // 9; // 8; // 7; // 6; // 5; // 4; // 3; // 2; // 1; //Para el 0;

101

break; case 13: value = 0xE6; break; case 14: value = 0x12; break; case 15: value = 0; break; case 16: value = 0x4C; break; case 17: value = 0xE8; break; case 18: value = 0x9E; break; case 19: value = 0x1E; break; // "J" // "U" // "F" // "c" // "espacio" // "I" // "S"

} return (value); }

#include

102

APNDICE B

ALGORITMO PARA REALIZAR MEDICIN DE TEMPERATURASESPECIFICACIONES DEL PROCESADOR #pragma option v; ESPECIFICACIN DE LIBRERIAS #include #include #include #include #include DECLARACION DE FUNCIONES Y VARIABLES int funcion(int num); void multiplicacion(unsigned char analogo); unsigned char conversion(registerx canal); void muestra(int letra,int fin); unsigned char canal0,canal1,canal2,canal3,canal4,canal5,canal6,canal7; int vueltas; int temporizador_1; int centenas,decenas,unidades,decimales; int conver255; int contador; int valor; void handle_TMR0(); RUTINA PRINCIPAL DEL MICROCONTROLADOR void main() {

Setup_Async_Mode(51);

Rata baudios = Fosc/64(SPBRG +1) = 4MHz / 64(51+1) = 1200 baudios

INIT_A2D(ANA5_VDDN,FRC); TRISA = 0x3F; TRISB = 0x01;

Para 5 canales anlogos y oscilador RC Todos como entrada RB7:RB1 salida - RB0 entrada

103

TRISC = 0x8F; TRISD = 0x0F; TRISE = 0x07; INTCON = 0;

RC3:RC0-RC7 (I) RC6:RC4 (O) RD7:RD4 (O) RD3:RD0 (I) RE2:RE0 (I)

while(PORTA.4 == 1) {

if (PORTD.3 == 0) { i